王海波

(1.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司, 江蘇 常州 213015；2.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司, 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國(guó)的礦井多為高瓦斯礦井，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5%～16%時(shí)就有可能發(fā)生爆炸，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。礦井瓦斯?jié)舛仍试S值為1%，因此，對(duì)礦井各位置瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。瓦斯主要成分為甲烷，占80%以上。目前煤礦井下主要采用催化燃燒式、熱導(dǎo)式和紅外式甲烷傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷濃度，這些傳感器均采用有線供電模式，監(jiān)測(cè)范圍較小。通過(guò)部署分布式無(wú)線甲烷傳感器可實(shí)現(xiàn)大范圍甲烷監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)化傳輸平臺(tái)，將各個(gè)位置的甲烷濃度監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)傳送至控制臺(tái)，可進(jìn)一步解決瓦斯安全問(wèn)題[1-3]。分布式無(wú)線甲烷傳感器技術(shù)要求甲烷傳感器功耗低、微型化、響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高、安全性好。目前傳統(tǒng)礦用甲烷傳感器均難以完全滿足分布式無(wú)線甲烷傳感器應(yīng)用要求。催化燃燒式或熱導(dǎo)式甲烷傳感器功耗非常高，而紅外式甲烷傳感器成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故而新型低功耗甲烷傳感器的研究十分必要和緊迫[4-5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)和微機(jī)械電子系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)使得低功耗礦用甲烷傳感器有了實(shí)現(xiàn)的可能。納米技術(shù)主要指將材料加工到納米量級(jí)的尺寸大小的技術(shù)。當(dāng)材料的尺寸縮小到納米大小時(shí)，材料的比表面積會(huì)迅速增大，從而出現(xiàn)很多特殊的性質(zhì)，有利于氣體響應(yīng)，如量子效應(yīng)等。MEMS技術(shù)主要指應(yīng)用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，如光刻、刻蝕、薄膜沉積等技術(shù)，制造出微米量級(jí)的精密機(jī)械電子部件。MEMS技術(shù)涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械等學(xué)科，可以實(shí)現(xiàn)高集成度低功耗甲烷傳感元件，從而促進(jìn)分布式無(wú)線甲烷傳感器技術(shù)發(fā)展，保障煤礦生產(chǎn)安全。

本文對(duì)基于MEMS技術(shù)和納米材料的低功耗甲烷傳感器的工作原理和研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并分析了低功耗甲烷傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了低功耗甲烷傳感器的發(fā)展方向和前景，為后續(xù)進(jìn)一步研究低功耗甲烷傳感器提供參考。

1 低功耗甲烷傳感器工作原理

按照工作原理，甲烷傳感器可分為催化燃燒式、熱導(dǎo)式、電導(dǎo)式等。目前低功耗甲烷傳感器的研究主要集中在2個(gè)方面：一是傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要通過(guò)微納加工得到MEMS型甲烷傳感器；二是材料的改進(jìn)，如改進(jìn)封裝材料或者氣體敏感材料等。

1.1 低功耗催化燃燒式甲烷傳感器

低功耗催化燃燒式甲烷傳感器由鉑絲、催化劑與載體構(gòu)成，如圖1所示。鉑絲不僅是加熱絲，也是熱敏電阻。當(dāng)甲烷氧化燃燒放熱時(shí)，鉑絲溫度升高，電阻值增大，電壓發(fā)生變化，從而可檢測(cè)出甲烷濃度。催化燃燒式甲烷傳感器信號(hào)一般在甲烷體積分?jǐn)?shù)為0～5%時(shí)呈線性，故可用于檢測(cè)爆炸下限范圍內(nèi)的低濃度甲烷。

圖1 低功耗催化燃燒式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of low-power catalytic combustion methane sensor

1.2 低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器

低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示,利用甲烷和空氣的熱導(dǎo)率不同實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)量，核心為熱敏元件，通常使用鎢絲、鉑絲或者鎳-鐵合金加熱絲。當(dāng)空氣中存在甲烷時(shí)，氣體的熱導(dǎo)率增大，敏感元件表面散熱加快，溫度降低，電阻值減小。通過(guò)測(cè)量敏感元件的電阻值可計(jì)算出甲烷濃度。該類傳感器靈敏度很低，主要用于測(cè)量高體積分?jǐn)?shù)(4%～100%)的甲烷。

圖2 低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of low-power thermal conductivity methane sensor

1.3 低功耗電導(dǎo)式甲烷傳感器

低功耗電導(dǎo)式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示,利用氣體敏感材料的電阻值隨甲烷濃度呈線性變化的原理測(cè)量甲烷濃度。氣體敏感材料一般為金屬氧化物半導(dǎo)體，如氧化錫、氧化鋅等，也有報(bào)道基于碳納米管或者石墨烯的電導(dǎo)式甲烷傳感器。該類甲烷傳感器靈敏度高，甲烷最小探測(cè)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.05%。

圖3 低功耗電導(dǎo)式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of low-power electrical conductivity methane sensor

2 低功耗甲烷傳感器研究進(jìn)展

2.1 低功耗催化燃燒式甲烷傳感器

C.Ducso等[6]設(shè)計(jì)了基于鉑加熱器微加熱板的微型催化燃燒式甲烷傳感器，并成功地在加熱器下方引入了微型支撐柱，增強(qiáng)了加熱器的力學(xué)性能，然而由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)，器件功耗相比無(wú)支撐柱的傳感器有所增加。Lu Xiaoqing等[7]利用MEMS工藝設(shè)計(jì)了催化燃燒式甲烷傳感器，并比較了鈀、銠、鉑3種不同催化劑的工作溫度，鈀催化劑的工作溫度最低，而鉑催化劑的工作溫度最高，因此，鈀催化劑是最合適的催化劑材料。Xu Lei等[8]比較了二維和三維微加熱板的催化燃燒式甲烷傳感器的性能，盡管功耗和響應(yīng)時(shí)間差別不大，但是三維微加熱板的甲烷傳感器靈敏度是二維微加熱板加熱傳感器的2倍多，微加熱板尺寸如圖4所示。

W.J.Jang 等[9]設(shè)計(jì)了微型催化燃燒式甲烷傳感器，該傳感器由傳感部分和補(bǔ)償部分組成，當(dāng)輸入功率為104 mW時(shí),微型傳感器對(duì)體積分?jǐn)?shù)為4.630×10-3和3.473×10-3的甲烷的輸出電壓分別為0.727 mV和0.548 mV。Su Jiacan等[10]設(shè)計(jì)了基于2種不同催化劑體系的微型催化燃燒式甲烷傳感器，即介孔氧化銠-氧化鋁體系和鈀鉑雙金屬-氧化鋁體系。經(jīng)過(guò)比較，氧化銠-氧化鋁體系可形成更均一的介孔結(jié)構(gòu)，且比表面積更大。此外，該體系催化活性更高,對(duì)甲烷催化燃燒反應(yīng)的穩(wěn)定性更好。微型催化燃燒式甲烷傳感器的響應(yīng)時(shí)間少于8 s，信號(hào)輸出達(dá)2.1 mV/0.4% CH4。E.K.Evgeny 等[11]在陽(yáng)極氧化鋁薄膜上制備了平面型的催化燃燒式甲烷傳感器，該傳感器使用模擬電路，而非惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，只使用1個(gè)傳感器，同時(shí)作為工作和參比傳感器,使其在200 ℃和400 ℃下工作，從而補(bǔ)償濕度和環(huán)境溫度的影響。傳感器采用脈沖方式運(yùn)行，平均運(yùn)行功耗為1.18 mW，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a) 二維微加熱板

(b) 三維微加熱板

圖5 平面型催化燃燒式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of planar type catalytic combustion methane sensor

Ma Hongyu等[12]采用憎水性硅氣凝膠對(duì)催化燃燒式甲烷傳感器進(jìn)行了封裝，使功耗降低了30%左右，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高敏感度。這是由于硅氣凝膠具有較低的熱導(dǎo)性和較高的透氣性，使熱量保留在傳感器內(nèi)部。Lu Wenshuai等[13]利用高分辨率絲網(wǎng)印刷技術(shù)首次在塊狀熔融石英基底上制備了微型催化燃燒式甲烷傳感器,在300 ℃時(shí)，該傳感器敏感度為0.77 mV/1%CH4，功耗為415 mW，響應(yīng)時(shí)間為35 s。Lu Wenshuai等[14]在500 μm厚的石英基底上制備了背面微孔的微型催化燃燒式甲烷傳感器,該傳感器在450 ℃工作時(shí)功耗為285 mW，敏感度為1.83 mV/1%CH4，響應(yīng)時(shí)間為8.8 s。

綜上所述，由于工作溫度較高，催化燃燒式甲烷傳感器的功耗一般較高；通過(guò)采用脈沖方式運(yùn)行，并使用模擬電路，傳感器平均功耗可以降低至2 mW以下。

2.2 低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器

C. Dusco等[6]利用熱導(dǎo)式傳感器成功測(cè)量了體積分?jǐn)?shù)為2%～10%的甲烷，該傳感器由2個(gè)大小相同但熱性質(zhì)不同的部分組成，即1個(gè)微加熱板和1個(gè)涂有多孔陶瓷的微加熱板組成惠斯通電橋。熱交換能力不同會(huì)導(dǎo)致偏壓，從而可測(cè)量出甲烷濃度。I.Barsony 等[15]利用MEMS催化燃燒式甲烷傳感器和熱導(dǎo)式甲烷傳感器組成陣列測(cè)得甲烷濃度。 Ma Hongyu等[16]設(shè)計(jì)了基于硅懸臂的熱導(dǎo)式甲烷傳感器，該傳感器可測(cè)量低濃度甲烷，輸入信號(hào)大于10 mV/1% CH4，具有替代催化燃燒式甲烷傳感器測(cè)量礦井低濃度甲烷的潛力。Ma Hongyu等[17]通過(guò)在絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)基底上制備微加熱器，設(shè)計(jì)了MEMS型熱導(dǎo)式甲烷傳感器。該傳感器可在650 ℃工作，功耗低于50 mW，敏感度達(dá)到22 mV/1%CH4，如圖6所示。在脈沖模式下該傳感器的響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間分別為10 ms和1 ms,如圖7所示。MEMS型熱導(dǎo)式甲烷傳感器響應(yīng)快速的原因是尺寸小、質(zhì)量小和響應(yīng)原理未涉及化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)物理吸附過(guò)程[17]。

圖6 熱導(dǎo)式甲烷傳感器對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷的響應(yīng)值曲線Fig.6 Response value curves of thermal conductivity methane sensor to different volume fractions of methane

Ma Hongyu等[18]利用焦耳自加熱效應(yīng)得到微區(qū)高溫的熱導(dǎo)式甲烷傳感器。該傳感器主要由硅懸臂微加熱器構(gòu)成，如圖8所示。該傳感器可以測(cè)量體積分?jǐn)?shù)為0～17%的甲烷，功耗約為27 mW，靈敏度達(dá)到了20 mV/1%CH4，如圖9所示。功耗和響應(yīng)與懸臂的長(zhǎng)度相關(guān)，懸臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)，功耗越低，靈敏度越高[18]。該傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、抗污染等優(yōu)點(diǎn)。由于采用MEMS工藝制備，易于批量生產(chǎn)，并具有批量校準(zhǔn)的潛力。該新型低功耗甲烷傳感器也易于集成到智能礦燈中。

圖7 脈沖模式下熱導(dǎo)式甲烷傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of thermal conductivity methane sensor to methane in pulse mode

圖8 熱導(dǎo)式硅懸臂結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖Fig.8 SEM image of thermal conductivity silicon cantilever

圖9 硅懸臂熱導(dǎo)式甲烷傳感器對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)甲烷的響應(yīng)值曲線Fig.9 Response values curves of silicon cantilever type thermal conductivity methane sensor to different volume fractions of methane

綜上所述，熱導(dǎo)式甲烷傳感器一般需要在500 ℃以上工作，故而功耗難以降低。利用硅懸臂的焦耳自加熱效應(yīng)可以顯著降低功耗，并可以測(cè)量體積分?jǐn)?shù)為0～17%的甲烷。

2.3 低功耗電導(dǎo)式甲烷傳感器

2.3.1 室溫電導(dǎo)式甲烷傳感器

電導(dǎo)式甲烷傳感器通常需要在室溫以上工作，加熱器是功耗的主要來(lái)源。如果傳感器可以在室溫下工作，從而大大降低了功耗。常見(jiàn)的室溫電導(dǎo)式甲烷傳感材料有碳納米管、石墨烯、過(guò)渡金屬氧化物或者其復(fù)合物。

Lu Yijiang等[19]發(fā)現(xiàn)鈀摻雜的單壁碳納米管可以在室溫下對(duì)甲烷產(chǎn)生響應(yīng)。K.Roy等[20]利用電沉積法簡(jiǎn)便地制備了碳納米管，也實(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì)甲烷的測(cè)量，然而碳納米管在室溫下對(duì)甲烷響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，大于60 s。Li Zhongping等[21]發(fā)現(xiàn)鈀摻雜的碳納米管及1,6-已烷二胺復(fù)合物可以在室溫下對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0～16%的甲烷產(chǎn)生線性響應(yīng)，且響應(yīng)時(shí)間小于35 s，然而該材料對(duì)濕度比較敏感。C.Jesus 等[22]利用電化學(xué)法制備鉑摻雜的單壁碳納米管材料,實(shí)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為5×10-5～2×10-4甲烷的室溫響應(yīng)。R.Afrin 等[23]發(fā)現(xiàn)-COOH基團(tuán)修飾的碳納米管可以在室溫下對(duì)甲烷響應(yīng)，且響應(yīng)時(shí)間小于30 s,然而該材料對(duì)一氧化碳的響應(yīng)更快。M.Assar等[24]發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯可以在室溫下對(duì)甲烷響應(yīng)，且熱處理或者激光輻照都可以提高響應(yīng)。Chen Xiaoyu等[25]設(shè)計(jì)了鋰離子摻雜的碳納米管室溫甲烷傳感器，摻雜顯著提高了碳納米管對(duì)甲烷的傳感響應(yīng)，該傳感器對(duì)一氧化碳和氨氣的響應(yīng)較慢，選擇性好，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重復(fù)性均較好，傳感器敏感材料如圖10所示。

圖10 鋰離子摻雜碳納米管的掃描電鏡圖Fig.10 SEM image of Li+ doped CNT

B.Costello 等[26]利用紫外LED等照射氧化鋅薄膜設(shè)計(jì)了室溫甲烷傳感器，但該傳感器響應(yīng)較慢。M.Akermi 等[27]發(fā)現(xiàn)PEG400可以增強(qiáng)氧化鋅顆粒對(duì)甲烷的室溫響應(yīng)。D.Haridas 等[28]研究紫外輻照下鈀摻雜的二氧化錫薄膜可以實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)甲烷的高響應(yīng)，然而響應(yīng)時(shí)間非常長(zhǎng)。A.Mosahebfard 等[29]認(rèn)為硫化鉛納米晶可以在室溫下對(duì)體積分?jǐn)?shù)為1%～5%的甲烷響應(yīng)。P.Tshabalala等[30]發(fā)現(xiàn)二氧化鈦納米棒可以在室溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷的高響應(yīng)，同時(shí)該材料對(duì)氫氣和氨氣的響應(yīng)較慢。甲烷響應(yīng)的改善與較大的表面積和敏感材料的點(diǎn)缺陷有關(guān)，然而該材料的響應(yīng)速度較慢。S.Nasresfahani 等[31]發(fā)現(xiàn)鈀摻雜的二氧化錫-還原氧化石墨烯實(shí)現(xiàn)了對(duì)體積分?jǐn)?shù)為8×10-4～1.6×10-2的甲烷的室溫響應(yīng)，然而響應(yīng)時(shí)間仍然很長(zhǎng)。Wu Chunlei等[32]設(shè)計(jì)了基于鋰摻雜的多孔材料的室溫甲烷傳感器，該傳感器對(duì)甲烷響應(yīng)較快且選擇性較好，同時(shí)還具有一定的抗?jié)窈涂箟m能力。

綜上可知，室溫電導(dǎo)式甲烷傳感器是具有廣闊前景的礦用低功耗甲烷傳感器，然而一般響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)濕度很敏感，且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳等氣體的選擇性響應(yīng)，其性能改善取決于傳感材料的選取。

2.3.2 微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器

D.Briand 等[33]設(shè)計(jì)了基于微加熱板的電導(dǎo)式甲烷傳感器,基于氮化物的微加熱板可以加熱至700 ℃，可以在芯片上對(duì)敏感材料進(jìn)行熱處理?；阝Z摻雜氧化錫的傳感器可以同時(shí)檢測(cè)甲烷和一氧化碳。P.Bhattacharyya 等[34]設(shè)計(jì)了基于氧化鋅納米晶薄膜的微加熱板型甲烷傳感器，在250 ℃時(shí)該傳感器可以對(duì)體積分?jǐn)?shù)為1%的甲烷產(chǎn)生較快響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間僅為8.3 s，功耗為120 mW。該傳感器可以在100 ℃對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0.5%以上的甲烷響應(yīng)，功耗僅為40 mW，高響應(yīng)值與鈀銀合金接觸電極的高催化性能有關(guān)。J.Yu等[35]在微加熱板上制備了條形的氧化錫薄膜敏感材料，提高了微加熱板型傳感器高溫操作下的穩(wěn)定性。該傳感器可以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行300 h，且能夠同時(shí)測(cè)量甲烷和一氧化碳。A.Andio 等[36]利用噴墨打印技術(shù)在微加熱板上得到了納米顆粒、微米顆粒和微米球3種形貌的氧化錫薄膜, 3種材料均可以測(cè)量體積分?jǐn)?shù)為0～1%的甲烷，其中微米顆粒的響應(yīng)最差，在450 ℃時(shí)納米顆粒的響應(yīng)值最高，在550 ℃時(shí)微米球的響應(yīng)值最高?？梢?jiàn)氧化錫納米顆粒是三者中最優(yōu)的敏感材料。傳感器如圖11所示，二氧化錫材料均勻地分布在微加熱板中心區(qū)域。

圖11 基于二氧化錫薄膜的微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器掃描電鏡圖Fig.11 SEM image of microhotplate type electrical conductivity methane sensor based on SnO2 thin film

綜上可知，微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器功耗相對(duì)較低，結(jié)合特定的納米材料，可以在較低工作溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的響應(yīng)，具有低濃度甲烷監(jiān)測(cè)應(yīng)用前景，然而該類傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和基線漂移問(wèn)題有待解決。

3 低功耗甲烷傳感器發(fā)展方向

(1) 低功耗催化燃燒式甲烷傳感器可以測(cè)量低濃度甲烷，然而其穩(wěn)定性不高，未來(lái)的研究方向是改進(jìn)封裝或者催化材料，從而增強(qiáng)其抗毒化的能力。同時(shí)需結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法研究免人工校準(zhǔn)的低功耗催化燃燒式甲烷傳感器。

(2) 低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器可同時(shí)測(cè)量低濃度和高濃度甲烷，在礦井中運(yùn)行穩(wěn)定，有分布式無(wú)線甲烷傳感器應(yīng)用前景。未來(lái)的發(fā)展方向是改進(jìn)電路模組，實(shí)現(xiàn)睡眠-喚醒運(yùn)行模式，盡可能地降低元件和電路的功耗；同時(shí)研究傳感器元件和外圍電路的集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)片上集成式熱導(dǎo)式甲烷傳感系統(tǒng)，降低整體運(yùn)行功耗。

(3) 低功耗室溫型電導(dǎo)式甲烷傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)室溫下甲烷的測(cè)量，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而室溫型電導(dǎo)式甲烷傳感器一般對(duì)環(huán)境濕度很敏感，基線易偏移,故而需要進(jìn)一步改進(jìn)敏感材料和封裝工藝，保證傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器的材料制備技術(shù)有待改進(jìn)，目前還主要通過(guò)轉(zhuǎn)移途徑在微加熱板上添加敏感材料，敏感材料對(duì)電極的粘附力差，器件重復(fù)性和可靠性均較差。應(yīng)用磁控濺射方法將半導(dǎo)體氧化物敏感材料沉積到電極上可提高材料的粘附力，從而提高器件的重復(fù)性和可靠性。同時(shí)微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和可靠性需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

(4) 從整個(gè)傳感系統(tǒng)角度看，傳感元件外圍電路的功耗有時(shí)甚至高于傳感元件本身。未來(lái)的方向是研究片上集成式甲烷傳感器，從而大大降低外圍電路功耗，形成極低功耗甲烷傳感器。此外，分布式無(wú)線低功耗甲烷傳感器未來(lái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)免人工標(biāo)?；蜃孕?zhǔn)，需要研究先進(jìn)的傳感器自校準(zhǔn)算法。

4 結(jié)論

(1) 隨著煤礦智能化建設(shè)的需求日益迫切，目前煤礦井下普遍采用的有線供電催化燃燒式甲烷傳感器存在覆蓋區(qū)域有限、功耗高等不足。分布式無(wú)線甲烷傳感器覆蓋范圍廣、功耗低，在煤礦智能安全監(jiān)測(cè)中有較廣闊的應(yīng)用前景。低功耗、智能化、微型化的分布式無(wú)線甲烷傳感器亟待研究。

(2) 低功耗甲烷傳感器主要有催化燃燒式、熱導(dǎo)式、電導(dǎo)式3種。低功耗催化燃燒式甲烷傳感器可以測(cè)量低濃度甲烷，然而易中毒，穩(wěn)定性不高，功耗相對(duì)較高；未來(lái)的研究方向是改進(jìn)封裝工藝或者催化材料，以增強(qiáng)其抗毒化的能力，同時(shí)需結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法研究免人工校準(zhǔn)的低功耗催化燃燒式甲烷傳感器。低功耗熱導(dǎo)式甲烷傳感器具有全量程測(cè)量甲烷的能力，可同時(shí)測(cè)量低濃度和高濃度甲烷，在礦井中可以穩(wěn)定運(yùn)行，且對(duì)井下環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)，具有分布式無(wú)線甲烷傳感器應(yīng)用前景，未來(lái)的發(fā)展方向是改進(jìn)電路模組，實(shí)現(xiàn)睡眠-喚醒運(yùn)行模式，同時(shí)研究傳感器元件和外圍電路的集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)片上集成式熱導(dǎo)式甲烷傳感系統(tǒng)，降低整體運(yùn)行功耗。低功耗電導(dǎo)式甲烷傳感器分為室溫型和微加熱板型，室溫型電導(dǎo)式甲烷傳感器功耗較低，但通常響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng);微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器功耗相對(duì)較低，結(jié)合特定的納米材料，可以在較低工作溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的測(cè)量，具有低濃度甲烷監(jiān)測(cè)應(yīng)用前景，但微加熱板型電導(dǎo)式甲烷傳感器一般對(duì)環(huán)境濕度很敏感，基線易偏移，敏感材料對(duì)電極的粘附力差，器件重復(fù)性和可靠性均較差，故而需要進(jìn)一步改進(jìn)敏感材料和封裝工藝，應(yīng)用磁控濺射方法將半導(dǎo)體氧化物敏感材料沉積到電極上可提高材料的粘附力，從而提高器件的重復(fù)性和可靠性，同時(shí)需結(jié)合算法糾正基線偏移，保證傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3) 從整個(gè)傳感系統(tǒng)角度看，傳感元件外圍電路的功耗有時(shí)甚至高于傳感元件本身，未來(lái)的方向是研究片上集成式甲烷傳感器，從而大大降低外圍電路功耗，形成極低功耗甲烷傳感器。

(4) 煤礦安全監(jiān)控對(duì)低功耗甲烷傳感器的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，且甲烷傳感器必須符合本安要求。目前低功耗甲烷傳感器的可靠性和煤礦環(huán)境適應(yīng)性研究不足，需要進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。