隨著氫能在燃料電池、儲運安全及化工生產等領域的快速發展，氫氣泄漏監測對傳感器的靈敏度、功耗、穩定性及集成兼容性提出了更高要求。傳統電學式氣體傳感器通常存在功耗較高、穩定性有限或難以規模集成等問題，而光學式氫氣傳感雖然具備本征防爆和抗電磁干擾優勢，但其靈敏增強與器件化集成仍面臨挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，南京信息工程大學倪海彬課題組圍繞納米結構調控與MEMS兼容集成開展了系統研究，提出以垂直有序納米線陣列為統一結構平臺，同時發展電學式氫氣傳感與光學式超材料氫氣傳感兩條技術路線，在器件性能與工程應用潛力方面取得了系列進展。
垂直有序納米線陣列結構平臺
氫氣傳感性能的提升通常依賴于反應界面、氣體擴散效率以及信號調制能力等因素。研究團隊采用AAO模板輔助工藝，在硅基底上構建高度有序的垂直納米線陣列結構。該結構具有以下特點：高比表面積，有助于增強氣體反應活性；垂直開放擴散通道，可改善氣體傳輸動力學；有利于電學載流子調制或光學場增強；與硅基工藝兼容，具備MEMS集成潛力。該納米線陣列結構為后續電學式與光學式氫氣傳感研究提供了統一技術基礎。
圖1 垂直有序納米線陣列作為統一平臺：高比表面積、快擴散通道、MEMS/CMOS兼容
電學式氫氣傳感：CuO納米線陣列器件
在電學式傳感方向，研究團隊利用AAO輔助電沉積結合熱氧化工藝，在硅基底上制備垂直CuO納米線陣列氫氣傳感器，實現材料結構可控與微納工藝兼容。實驗結果表明，該器件在200°C條件下對1 vol%氫氣表現出約625%的響應幅度，響應時間約30 s、恢復時間約52 s，循環測試穩定性良好，理論檢測下限可達ppm量級。相關研究表明，有序納米線陣列結構能夠有效提升氣體反應效率及載流子調制能力，為低功耗MEMS氫氣傳感器集成提供了技術路徑。
圖2 直接在硅基底上構建垂直CuO納米線陣列：AAO輔助工藝，面向MEMS集成的電學式氫氣傳感
圖3 625%響應（1% H?），30 s/52 s動力學：有序納米線顯著提升反應與載流子調制效率
光學式氫氣傳感：Au@Pd核殼納米線超材料結構
在光學式氫氣檢測方面，研究團隊進一步構建了Au@Pd核–殼納米線陣列超材料結構。其中：Au納米線提供局域表面等離激元共振（LSPR）增強；Pd殼層作為氫敏材料，吸氫形成PdHx引發光學性質變化；垂直陣列結構形成等效光學腔效應，實現模式協同增強。該光學式氫氣傳感器在0 ~ 2 vol%氫氣濃度范圍內表現出快速穩定的光譜響應，并具備抗電磁干擾與本征防爆優勢，適用于復雜工業環境及遠程光纖監測場景。
圖4 Au@Pd核–殼納米線超材料：等離激元增強Pd吸氫響應，實現光學式氫氣傳感
圖5 純光學讀出，響應快、重復性好：本征防爆，適合復雜與高安全等級環境
技術意義與應用前景
該系列研究提出了一種基于垂直納米線陣列的可擴展氫氣傳感技術路線，其主要意義體現在：MEMS兼容潛力：硅基可集成納米線結構有利于陣列化與芯片級封裝；多技術路徑融合：電學式與光學式傳感路線互補，可適應不同應用場景；安全監測應用前景：適用于氫燃料電池系統、儲氫設施、化工能源安全監測等領域。
未來，隨著納米結構調控、器件封裝及系統集成技術的進一步發展，該平臺有望支撐多模態氫氣傳感與智能監測系統的工程應用。
相關論文：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.139519
https://doi.org/10.1364/OE.582385
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