微纳甲烷传感技术的研究.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 3 M a r ．2 Ol 6 ’⋯ 。 。 i 分析研究 ．1 h．j．I ． ◆ ◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 1 6 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 4 丁恩杰， 马洪宇． 微纳甲烷传感技术的研究I- J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 3 1 6 2 O ． 微纳甲烷传感技术的研究 丁恩 杰 。 ， 马 洪宇 。 1 ． 中 国矿 业大学 物 联 网 感知 矿 山 研 究 中心 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿业 大学 感知 矿 山国家地 方联合 工程 实验 室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对矿 山物联 网发展 对 甲烷传 感器低 功耗 、 微 型化 、 低成 本 的设计要 求 ， 对一种 基 于微 纳 米技 术的 栽体催 化燃烧 式 甲烷传 感 器展 开研 究 ， 着重介 绍 了该 种 甲烷传 感 器的 微加 热 器及 低 维 甲烷 传 感方 面 的研 究 现 状及 相应 成果 ， 并介绍 了一种 新 型金 属 一 绝缘体 一 金 属 结构 的金 属 氧化物 半 导体 甲烷传 感 器 。该种 甲烷 传 感器具 有功耗 低 、 体积 小等特 点 ， 符合 矿 山物联 网的发展 需求 。 关键 词 甲烷传 感 器 ；微 纳 米技 术 ；微加 热 器 中图分类 号 TD 6 7 2 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 1 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 1 3 ． 0 0 4 ． h t ml Re s e a r c h o f mi c o ／ n a n o me t h a n e s e n s i n g t e c h n o l o g y DI NG En j i e 一． MA Ho n g y u ， 。 1． 1 o T Pe r c e pt i on M i ne Re s e a r c h Ce nt e r ，Chi na U n i v e r s i t y o f M i ni n g a nd Te c hn ol o g y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2 ． S t a t e a n d L o c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f Pe r c e p t i o n M i n e，Chi n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g a nd Te c hn ol o g y，Xu z ho u 22 1 0 0 8，Chi n a Ab s t r a c t Fo r d e s i gn r e qu e s t s o f l o w po we r c on s u m p t i o n，mi ni a t ur i z a t i on a nd l o w c o s t a b ou t m e t ha n e s e ns o r be c a us e of de v e l o pme n t o f m i n e I nt e r ne t o f t hi ng s， a c a r r i e r c a t a l y t i c c o m bu s t i o n t yp e m e t ha n e s e n s o r b a s e d o n mi c o ／ n a mo me t e r t e c h n o l o g y wa s r e s e a r c h e d ．Ex i s t i n g r e s e a r c h s t a t u s a n d c o r r e s p o n d i n g a c hi e ve m e nt s o f t he m e t ha ne s e ns or we r e i nt r o du c e d i n de t a i l s o n i ns pe c t s o f m i c r o he a t e r s a n d l O W di m e ns i o na 1 me t h a ne s e ns i ng．a nd a me t a l ox i d e s e mi c ond uc t or me t h a ne s e ns or wi t h a ne w m e t a l i ns ul a t or m e t a l s t r u c t u r e wa s i n t r o du c e d． The me t h a ne s e ns o r ha s c h ar a c t e r i s t i c s of l o w po we r c o ns umpt i o n a nd mi ni a t ur i z a t i o n，whi c h m e e t s wi t h de v e l o pme n t r e qu e s t s o f mi ne I n t e r n e t o f t hi n gs ． Ke y wo r d s me t h a n e s e n s o r ；mi c r o ／ n a n o me t e r t e c h n o l o g y；mi c r o h e a t e r 0 引言 瓦斯是 煤矿 生产 中的重 大危 险源 。 甲烷是 瓦斯 气体 的主要 成分 ， 占 9 0 以上 。检测 煤矿 瓦斯 浓度 通常指检测甲烷的浓度。甲烷传感器在煤矿瓦斯防 治 、 灾 害预警 、 保 障安 全 生产 和事故 调查 中用于 检测 煤 矿 瓦斯浓度 ， 具 有 重要 作用 。成 熟 的 甲烷检 测 方 法主要有催化燃烧法 、 半 导体气敏法、 光谱 吸收法 、 气相色谱法 、 光栅、 热导等 。在环境恶劣的煤 矿 井下 表现为湿度大、 空气中悬浮杂质 如煤尘等 含 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 2 2 2 6 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 BAH1 2 B 0 1 。 作者简介 丁恩杰 1 9 6 3 一 ， 男， 山东青 岛人 ， 教授 ， 博士 ， 博 士研究生导师 ， 研究方向为矿 山物 联网技术、 监测监控与故 障诊断， E ma i l e n j i e d c u mt ． e d u ． c n。 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 [7 ] [8 ] [9] E l O ] [ 1 1 ] E 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] E 1 6 ] [ 1 7 ] 何 秀丽 ， 南金 ， 戴 国瑞． 气体传感器 阵列 中微 加热器 的 发展现状[ J ] ． 半导体杂 志， 1 9 9 8 ， 2 3 4 3 4 3 9 ． KI TA J ，TETTI G F，M00S R，e t a 1 ．Ho t p l a t e g a s s e n s o r s a r e c e r a mi c s b e t t e r [ J] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ap p l i e d C e r a mi c Te c h n o l o g y，2 0 0 5，2 5 38 3 38 9． GALL M ． Th e S i pl a na r pe l l i s t or a l ow- po we r p e t l i s t o r s e n s o r i n S i t h i n f i l m t e c h n o l o g y [ J ] ． Or i g i n a l S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s BC he mi c a l ，1 9 9 1 ， 4 3 ／ 4 5 3 3 5 3 8 ． Z ANI NI M ， VI S S ER J H ， RI M AI L， e t a 1 ． Fa br i c a t i on a nd pr op e r t i e s o f a Si ， b a s e d h i gh 。 s e n s i t i v i t y mi c r o c a l o r i me t r i c g a s s e n s o r E J ] ．S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s A P h y s i c a l ，1 9 9 5，4 8 3 1 8 7 1 9 2 ． 董华霞． 具本安特性的平 面型载体催化 甲烷传感 器的 研 究E J ] ． 云 南大 学 学报 自然 科学 版 ， 1 9 9 7 ， 1 9 2 1 43 14 6． XU L． LI T 。 W ANG Y L． A no v e l t hr e e d i me n s i o n a l mi c r o h e a t e r[ J ] ．I E E E E l e c t r o n D e v i c e Le t t e r s ，2 O 1 1 ，3 2 9 1 2 8 4 1 2 8 6 ． LI Y，YU J ，W U H，e t a 1 ．De s i g n a n d f a b r i c a t i o n o f a C MOS c o mp a t i b l e MHP g a s s e n s o r [ J ] ． AI P Ad v a n c e s ，2 0 1 4 ，4 3 5 0 1 5 2 2 ． F i i RJ E S P，VI Z Vd RY Z，4 Dd M M ，e t a 1 ．Th e r ma l i n v e s t i g a t i o n o f mi c r o f i l a me n t h e a t e r s E J ] 。S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s AP h y s i c a l ，2 0 0 2 ，9 9 1 ／ 2 9 8 1 0 3 ． B ARS 0NY I ， ADAM M ， F UERJ ES P， e t a 1 ． Ef f i c i e nt c a t a l y t i c c o mbu s t i on i n i nt e g r a t e d mi c r o p e l l i s t o r s [J] ． Me a s u r e me n t S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 0 0 9，2 0 1 2 3 1 4 3 1 7 ． HANEEF I ．BURZ0 M ， ALI Z S，甜 a1 ． The r ma l c ha r a c t e r i z a t i on o f S OI CM 0S mi c r o h ot - p l a t e ga s s e n s o r s[ c ] ／ ／T h e 1 6 t h I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n Th e r ma l I n v e s t i g a t i o n s o f I Cs a n d S y s t e ms ，L o n d o n， 2 O1 O 1 4． VU NG N M 。 HI EU N M ， H I EU H N ，e t a1 ． Ni 2 03 一 de c or a t e d SnO2 p ar t i c ul a t e f i l ms f o r me t ha ne g a s s e n s o r s[ J ] ．S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s B C h e mi c a l ， 20 14。1 9 2 332 7 3 33 ． [ 1 8 ] P O ONI A M，MA NJ UL A D E VI V，GUP TA R K， e t a1 ． Ul t r a t hi n f i l ms of s i ng l e wa l l e d c a r bo n n a n o t u b e s A p o t e n t i a l me t h a n e g a s s e n s o r[ J ] ． S c i e n c e o f Ad v a n c e d M a t e r i a l s ，2 0 1 5，7 3 4 5 5 4 6 2 ． [ 1 9 ] wu z ，C HE N X， Z HU S ， e t a 1 ．R o o m t e mp e r a t u r e me t ha n e s e n s o r b a s e d o n g r a p h e n e n a n o s h e e t s ／ p o l y a n i l i n e n a n o c o mp o s i t e t h i n f i l m [ J ] ． S e n s o r s J o u r n a l I EEE，2 O 1 3，l 3 1 3 7 7 7 7 8 2 ． [ 2 O ] A MU T HA A， Ⅵ T HA P A N S ， P R A S A D A K， e t a 1．M e t ha n e g a s s e ns i n g a t r e l a t i v e l y l o w o pe r a t i ng t e mpe r a t ur e by hy dr o t he r ma l l y p r e p a r e d Sn O2 n a n o r o d s[ J ] ． J o u r n a l o f Na n o p a r t i c l e R e s e a r c h ， 2 0 1 5 ，1 7 7 卜1 2 ． [ 2 1 ] L u Y，L I J ， HA N J ，e t a 1 ． R o o m t e mp e r a t u r e me t ha ne d e t e c t i on us i n g p al l a di um l oa d e d s i n gl e w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e s e n s o r s [ J] ． C h e mi c a l P h y s i c s Le t t e r s ，2 0 0 4，3 9 1 4 ／ 5 ／ 6 3 4 4 3 4 8 ． [ 2 2 ] L I Y，WA NG H，C HE N Y，e t a 1 ．A mu l t i w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e ／ p a l l a d i u m n a n o c o mp o s i t e p r e p a r e d by a f ac i l e me t h o d f o r t he de t e c t i o n o f me t h a ne a t r o o m t e mp e r a t u r e[ J ] ．S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B Ch e mi c a l ，2 0 0 8 ，1 3 2 1 1 5 5 - 1 5 8 ． [ 2 3 ] 侯若男 ， 彭同江 ， 孙红娟 ， 等． 氧化石 墨烯及 热还 原产 物对 C H 和 H 的 敏 感 性 能 研 究 [ J ] ． 功 能 材 料 ， 2 0 1 5 ， 4 6 1 6 1 6 0 7 9 一 l 6 0 8 5 ． [ 2 4 2 P R A S A D A K。A MI R THA P A N D I A N s ， DH AR A s ， e t a 1 ． No v e l s i n g l e p h a s e v a n a d i u m d i o x i d e na n o s t r uc t ur e d f i l ms f o r me t h a ne s e ns i ng ne a r r o on l t e mp e r a t u r e [ J ] ．S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s B C h e mi c a l ， 20 1 4，1 91 25 2 25 6． r 2 5 ] BHATTACHARYYA P， B AS U P K， B AS U S ． M e t ha ne de t e c t i on by na no ZnO ba s e d M I M s e n s o r d e v i c e s[ J ] ．S e n s o r s a n d T r a n s d u c e r s ，2 0 l 1 ，1 0 l 21 13 O ． r 2 6 ] T0NG Z， T0NG M M ， M E NG W ， e t a 1 ． I nf l a mma bl e ga s mi xt ur e d e t e c t i on wi t h a s i n gl e c a t a l y t i c s e n s o r b a s e d o n t h e e l e c t r i c f i e l d e f f e c t [ J ] ． S e n s o r s ，2 0 l 4 ，1 4 4 6 4 0 9 6 4 i 8 ．