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氢气在新能源、石油化工、核电、航天等领域获得了广泛应用,然而其易燃、易爆的特点导致氢气在存储、使用过程中一旦泄露就存在极大的安全隐患,因此,需对氢气使用环境的氢浓度进行实时监测。另外,氢是宇宙中丰度最大的元素,在临近空间中存在痕量的氢及氢原子,氢及氢原子浓度的准确测量是临近空间环境科学中的一项重要的课题,对于揭示宇宙的产生及大气演化具有重要的科学意义。在上述应用场景中,急需探测范围宽、探测下限低、灵敏度高、响应快、功耗小、体积小、选择性强、重复性高等特性的氢探测技术,但是,现有的氢气传感器难以同时满足上述需求。为此,本论文系统开展了基于PdNi纳米薄膜、负载于泡沫NiO的Pd纳米颗粒、Pd修饰的WO3/泡沫NiO和Pd修饰的Bi掺杂泡沫NiO四种氢气传感器的设计、制备及性能研究,力图弄清四种氢传感器的氢敏机制。论文的主要工作如下:1.基于MEMS技术设计制备了PdNi纳米薄膜氢气传感器,传感器外形尺寸为1 mm×1 mm×0.3 mm,PdNi薄膜结构为回线型（线宽30μm,长度5 mm）。研究了退火对PdNi纳米薄膜微观结构和传感器性能的影响,结果表明,250℃真空退火可以提高薄膜稳定性和均匀性,从而有效抑制传感器的零点漂移现象,同时使传感器保持较高的响应值和响应速度。探索了薄膜厚度对PdNi薄膜微观结构以及氢气传感器响应的影响,发现降低薄膜厚度可以抑制PdNi薄膜结晶和晶粒生长,从而提高PdNi薄膜的氢吸附能力和氢扩散范围,进而提升传感器响应。利用多元线性回归方法拟合了传感器响应与薄膜厚度之间的关系,发现传感器响应与氢气浓度之间符合Sieverts定律,Sieverts系数随着PdNi薄膜厚度降低而增大。所制备的PdNi纳米薄膜氢气传感器在室温下、氮气环境中可以探测到低至50 ppb浓度的氢气,对杂质气体CO2、CO、NH3和CH4具有优异的选择性,180天后响应值仅衰减了3.74%,体现出可靠的长期稳定性。2.采用热氧化工艺制备具有三维网络结构的泡沫NiO,再通过磁控溅射沉积Pd纳米颗粒,以柔性印制电路板为载体,设计制备了以负载于泡沫NiO表面的Pd纳米颗粒为氢敏材料的氢气传感器,其中Pd纳米颗粒/泡沫NiO的尺寸为8 mm×3mm×0.5 mm。研究了Pd纳米颗粒/泡沫NiO的微观结构,发现Pd纳米颗粒与高浓度氢气反应会导致其晶粒和晶格尺寸增加。提出了利用高浓度氢气对传感器样品进行活化处理的方法,发现高浓度氢气与Pd纳米颗粒反应生成β相PdHx所引起的不完全可逆晶格畸变是传感器被活化的关键,活化在Pd纳米颗粒中生成的大量缺陷,为氢原子与Pd纳米颗粒结合提供了大量活性位点,大大降低了传感器的氢探测下限。Pd纳米颗粒/泡沫NiO氢气传感器在30℃,氮气背景下的检测范围为7 ppb～2%,其响应随着氢气浓度降低而单调递减。另外,传感器对CO-2、CO、He等杂质气体具有优异的选择性,并且具有可靠的抗湿性。3.设计制备了以Pd纳米颗粒修饰的负载于泡沫NiO的WO3纳米层为氢敏材料的氢气传感器。探索了Pd/WO3/泡沫NiO的微观形貌和晶体结构,结果表明,WO3纳米层为含有氧空位的非晶态结构,Pd纳米颗粒、WO3纳米层均匀分布于泡沫NiO表面。Pd/WO3/泡沫NiO传感器表现出独特的n-p型转换现象,即在较高浓度氢气中传感器电阻降低,响应为n型;在较低浓度氢气中电阻增大,响应为p型。出现n-p型转换是因为Pd/WO3之间的肖特基接触、WO3/NiO之间的n-p异质结导致了WO3纳米层电子耗尽,从而使WO3纳米层在氧吸附作用下由n型反转为p型。在极低浓度的氢气中,WO3纳米层始终以空穴为主要载流子,并且其浓度会远低于常规的p型半导体,因此对载流子浓度变化更加敏感,即使是痕量氢气也能引起传感器电阻的明显变化。Pd/WO3/泡沫NiO氢气传感器的工作温度低至75℃,在空气背景中探测下限达到20 ppb,对杂质气体CO2、CO和NH3等具有优异的气体选择性,在连续测试中表现出可靠的重复性。4.设计制备了以Pd纳米颗粒修饰的Bi离子掺杂泡沫NiO为氢敏材料的氢气传感器。探究了Pd/Bi-泡沫NiO的微观结构,发现Bi-泡沫NiO由于表面大量的松散纳米颗粒而具有巨大的比表面积,其中Bi3+在反复吸放氢处理后会自掺杂产生Bi5+。探索了Pd/Bi-泡沫NiO氢气传感器的氢敏机制,研究发现,Bi离子掺杂显著提升了传感器的响应和稳定性,其原因是Bi3+掺杂导致NiO表面空穴积累层的厚度减小,而反复测试过程中发生的Bi5+自掺杂进一步促进了氢敏材料表面的氧吸附,使传感器的氢气敏感度获得提升。传感器的最佳工作温度为75℃,空气背景中能够探测20 ppb～1%浓度的氢气,响应值随氢气浓度降低而单调降低,同时传感器具有优异的选择性、抗湿性、重复性和长期稳定性。