零待机功耗氢传感技术：基于事件驱动的钯微机械开关创新研究

这篇综述介绍了基于钯（Pd）微机械悬臂开关的零待机功耗氢（H2）传感系统，通过Pd层吸氢膨胀触发机械开关闭合，实现无电源消耗的事件驱动检测。该系统可准定量H2浓度，适用于物联网（IoT）设备的大规模部署，为氢能安全监测提供革新性解决方案。

　　

1 引言

在全球应对气候变化的背景下，氢能（H₂）作为绿色能源载体备受关注，但其易燃性（低至4%浓度即可燃）带来重大安全隐患。现有氢传感器依赖电化学、光学或热导等机制，普遍存在功耗高（毫瓦至瓦级）、维护复杂等问题，难以满足大规模物联网（IoT）部署需求。本文提出一种基于钯（Pd）微机械悬臂开关的零待机功耗传感器，通过Pd吸氢膨胀的机械形变触发电路闭合，仅在有氢泄漏事件时激活系统，实现"无电池"持续监测。

2 设计与仿真

传感器核心为U型多层悬臂结构（Cr/Cu/Cr/Pd+Ru尖端），Pd吸氢后体积膨胀引发悬臂向下弯曲，使可动电极与底部固定电极接触。COMSOL仿真显示，1% H₂环境中75μm悬臂自由端位移达7.1μm，最大冯·米塞斯应力集中于锚区。四组不同长度悬臂（50-125μm）并联设计，通过时序性开关事件实现准定量检测。

3 制备工艺

采用干法刻蚀锗（Ge）牺牲层工艺避免氢氟酸腐蚀，五步光刻流程制备悬臂结构。扫描电镜（SEM）显示悬臂初始上翘（残余应力梯度导致），尖端与电极间距随长度递增（50μm悬臂间距3.3μm，125μm达19.8μm）。

4 结果与讨论

测试表明：

• 响应特性：1%/2%/5% H₂浓度下激活时间分别为26±1/15.5±0.5/4±1分钟，恢复时间3±0.5分钟。
• 准定量机制：多悬臂时序闭合产生特征电压降，如1% H₂中第二开关事件滞后104.5±5.1秒（R²=0.75）。
• 功耗优势：待机电流<10pA（功耗<100fW），较商用传感器（2mW-4W）降低10⁷倍。
  局限性包括Pd相变滞后导致高浓度（5% H₂）下循环稳定性下降，可通过Pd合金化改善。

5 结论

该技术首次实现零待机功耗氢传感，适用于氢能生产/运输/终端应用的无人值守监测网络。未来需优化材料（如Pd-Y合金）和结构（减小电极间距）以提升响应速度和低浓度检测能力。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如IoT、SEM等均保留英文缩写及_/^格式）