针对分布式无线甲烷报警器需功耗低、微型化、响应时间短、可靠性高、安全性好的要求，目前基于微机械电子系统技术和纳米材料的应用与发展，低功耗MEMS电导式甲烷传感器得以实现产业化，其分为室温型和微加热板型，室温型电导式甲烷传感器功耗较低，但响应时间较长；微加热板型电导式甲烷传感器功耗相对低，结合特定的纳米材料，可以在较低工作温度下实现对甲烷的响应，具有低浓度甲烷监测应用前景。

背景及现状

Background and current situation

我国的矿井多为高瓦斯矿井，当瓦斯体积分数 为５％～１６％时就有可能发生爆炸，安全形势严峻。矿井瓦斯浓度允许值为１％，因此，对矿井各位置瓦斯浓度进行实时监测至关重要。而瓦斯主要成分为甲烷，占８０％以上，所以一个可靠的甲烷传感器就能起到重要作用。

目前煤矿井下主要采用催化燃烧式、热导式和红外式甲烷传感器实时监测甲烷浓度， 这些传感器均采用有线供电模式，监测范围较小。通过部署分布式无线甲烷传感器可实现大范围甲烷监测，同时利用网络化传输平台，将各个位置的甲烷浓度监测信息实时传送至控制台，可进一步解决瓦斯安全问题。分布式无线甲烷报警器技术要求甲烷传感器功耗低、微型化、响应时间短、可靠性高、 安全性好。目前传统矿用甲烷传感器均难以完全满足分布式无线甲烷报警器应用要求。催化燃烧式或热导式甲烷传感器功耗非常高，而红外式甲烷传感器成本较高、结构复杂，故而催生了小体积、低功耗的MEMS甲烷传感器。

随着科学技术的发展，纳米技术和微机械电子系统（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）技术使得低功耗矿用甲烷传感器有了实现的可能。纳米技术主要指将材料加工到纳米量级的尺寸大小的技术。当材料的尺寸缩小到纳米大小时，材料的比表面积会迅速增大，从而出现很多特殊的性质，有利于气体响应，如量子效应等。ＭＥＭＳ技术主要指应用传统的半导体制造技术，如光刻、刻蚀、薄膜沉积等技术，制 造出微米量级的精密机械电子部件。ＭＥＭＳ技术涉及微电子、材料、力学、化学、机械等学科，可以实现高集成度低功耗甲烷传感元件，从而促进分布式无线甲烷传感器技术发展，保障煤矿生产安全。

低功耗电导式甲烷传感器

MEMS CH4 SENSOR

低功耗电导式甲烷传感器结构如图所示，利用气体敏感材料的电阻值随甲烷浓度呈线性变化的原理测量甲烷浓度。气体敏感材料一般为金属氧化物半导体，如氧化锡、氧化锌等，也有基于碳纳米管或者石墨烯的电导式甲烷传感器。该类甲烷传感器灵敏度高，甲烷最小探测体积分数达到了０．０５％。

低功耗电导式甲烷传感器结构

低功耗电导式甲烷传感器一般分为室温电导式甲烷传感器和微加热板型电导式甲烷传感器两类产品。如果传感器可以在室温下工作，可以大大降低其功耗，因此室温电导式甲烷传感器是具有广阔前景的矿用低功耗甲烷传感器，不过通过目前的一些实验研究表明，它的一般响应时间比较长，对湿度很敏感，且难以实现对一氧化碳等气体的选择性响应，其性能还有待改善。微加热板型电导式甲烷传感器通常需要在室温以上工作， 加热器是功耗的主要来源。市面上常见的一般是微加热板型电导式甲烷传感器，传感器内置了一个微加热板芯片，可以在芯片上对敏感材料进行热处理。微加热板型电导式甲烷传感器功耗相对较低，结合特定的纳米材料，可以在较低工作温度下实现对甲烷的响应，具有低浓度甲烷监测应用前景。

基于二氧化锡薄膜的微加热板型电导式甲烷传感器扫描电镜图

总结

Summarize

随着煤矿智能化建设的需求日益迫切，目前煤矿井下普遍采用的有线供电催化燃烧式甲烷报警器存在覆盖区域有限、功耗高等不足。分布式无线甲烷报警器覆盖范围广、功耗低，在煤矿智能安全监测中有较广阔的应用前景，低功耗、智能化、微型化的甲烷传感器更符合市场的需求。

慧闻科技开发的SMD1008甲烷传感器就是基于 MEMS 工艺开发的半导体气 体传感器，可用于检测不同场景中的甲烷气体含量。该传感器是将自主研发的甲烷气体敏感材料涂布于电极上，当被甲烷气体接触敏感材料时，敏感材料的电导率会发生变化，使用特定的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，目前广泛用于家庭、工厂、商业用所的甲烷类可燃气体泄漏监测装置中。

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