瓦斯是煤礦自然災(zāi)害的重要根源，當(dāng)煤礦開(kāi)采中不能及時(shí)有效地檢測(cè)和抽放瓦斯時(shí)，極易發(fā)生瓦斯事故，嚴(yán)重威脅到煤礦作業(yè)人員的生命安全，影響礦井正常生產(chǎn)。瓦斯氣體最主要的成分為甲烷，為保障礦井作業(yè)安全進(jìn)行，需要對(duì)甲烷濃度進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

目前煤礦井下甲烷檢測(cè)手段有很多，主要方法有氣敏半導(dǎo)體法、熱催化法、紅外激光光譜法、熱導(dǎo)率法和光學(xué)方法，但是這些檢測(cè)方法存在反應(yīng)較為遲鈍、系統(tǒng)復(fù)雜和維護(hù)困難等問(wèn)題。

智慧礦山中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)甲烷傳感器提出易集成、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的新需求，而納米材料科學(xué)的突破性進(jìn)展為這種高性能的氣體傳感器提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。采用碳納米管（CNTs）和氧化鋅納米線等材料作為放電電極的微納電離式傳感器，利用微納米尖端產(chǎn)生的高場(chǎng)增強(qiáng)因子，可在低電壓下實(shí)現(xiàn)氣體電離，其電離效應(yīng)的宏觀電特性（放電電流、電壓）能夠識(shí)別氣體濃度，具有響應(yīng)快（10-4 s）、易集成、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，有望解決氣體在線準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題，引發(fā)國(guó)內(nèi)外多家研究小組對(duì)其開(kāi)展研究。

• A.Modi等利用多壁碳納米管制備電離式氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)該傳感器可利用擊穿電壓的不同準(zhǔn)確識(shí)別He、Ar、Air、NH3等七種氣體，其氣體濃度與放電電流有線性關(guān)系，這也標(biāo)志著基于氣體放電原理的微納電離式氣體傳感器的誕生。
• L. Liao等使用ZnO納米線作為場(chǎng)致電離式氣體傳感器的陽(yáng)極，發(fā)現(xiàn)納米線的尖端在相對(duì)低的電壓下產(chǎn)生了非常高的電場(chǎng)，且傳感器具有良好的靈敏度和選擇性。
• R.Mohammadpour等通過(guò)熱氧化方法制造了CuO納米線作為氣體電離傳感器的陰極，發(fā)現(xiàn)常溫常壓下He、Ar和CO最低擊穿電壓可低于100V。
• R.Savari等使用具有三重對(duì)稱性的Mn納米花薄膜和不銹鋼球分別作為場(chǎng)電離氣體傳感器的陰極和陽(yáng)極，在低氣壓范圍內(nèi)研究了包括N2、O2、Ar等氣體的擊穿電壓，證明測(cè)量結(jié)果符合帕邢定律。

課題組長(zhǎng)期研究微納電離式傳感技術(shù)及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題，系統(tǒng)地探索了常壓N2背景下傳感器結(jié)構(gòu)、極間參數(shù)、極間電壓對(duì)O2、SO2、NO2等多種氣體的單值敏感特性，通過(guò)計(jì)算第一電離系數(shù)α分析了電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氣敏單值規(guī)律的影響。為了進(jìn)一步研究電離機(jī)理，基于泊松方程計(jì)算了從陰極納米尖端至陽(yáng)極的靜態(tài)電場(chǎng)空間分布，并結(jié)合目標(biāo)氣體與背景氣體的電離化學(xué)反應(yīng)定性分析傳感器放電電流隨氣體濃度變化的規(guī)律。

相關(guān)研究已經(jīng)表明，微納電離式傳感器具有辨識(shí)多種氣體種類（O2、Ar、NH3等）的能力，并且響應(yīng)速度和穩(wěn)定性良好，但對(duì)其電離效應(yīng)動(dòng)態(tài)機(jī)理的深入研究還不完備，因此缺少對(duì)傳感器性能優(yōu)化的理論指導(dǎo)；另一方面，研究甲烷等易燃易爆氣體的電離效應(yīng)，首要保證的就是放電安全性的問(wèn)題，傳感器內(nèi)部電離動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析可以為實(shí)驗(yàn)提供安全放電的理論參數(shù)。

由于將濕度、光照條件等相關(guān)參數(shù)都包含在內(nèi)的電離體系過(guò)于龐大復(fù)雜，因此先考慮空氣中最主要成分氮?dú)猓∟2）對(duì)甲烷（CH4）放電過(guò)程的影響，在明確其內(nèi)部機(jī)理的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究其他因素的作用。

因此本文針對(duì)微納電離式傳感技術(shù)在礦井甲烷檢測(cè)方面所面臨的問(wèn)題，通過(guò)理論建模研究甲烷在帶有微納米尖端微米級(jí)間隙下的動(dòng)態(tài)放電過(guò)程，分析甲烷在微米級(jí)間隙下從安全放電向擊穿放電過(guò)渡過(guò)程及關(guān)鍵參數(shù)，研究該電離式傳感器對(duì)甲烷濃度敏感的內(nèi)部機(jī)理并分析其敏感性能。

圖1 仿真計(jì)算模型

結(jié)論

本文通過(guò)理論建模研究甲烷在帶有微納米尖端微米級(jí)間隙下的動(dòng)態(tài)放電過(guò)程。首先分析放電過(guò)程的電場(chǎng)畸變對(duì)放電安全性的影響，闡述安全放電狀態(tài)下的電子輸運(yùn)過(guò)程；其次系統(tǒng)研究甲烷內(nèi)部電離效應(yīng)與器件宏觀電流密度的聯(lián)系及機(jī)理；最后計(jì)算并分析該微納電離式器件對(duì)甲烷濃度的敏感性能，主要得出以下結(jié)論：

• 1）甲烷從非自持安全放電向擊穿放電過(guò)渡時(shí)，電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)同時(shí)發(fā)生突變。放電動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的空間電荷使電場(chǎng)畸變?yōu)樨?fù)時(shí)，為非自持安全放電；電場(chǎng)畸變?yōu)檎龝r(shí)，轉(zhuǎn)為擊穿放電。
• 2）甲烷安全非自持放電過(guò)程中，直接碰撞電離反應(yīng)導(dǎo)致的電子崩從電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)的陰極形成，會(huì)向陽(yáng)極推進(jìn)但無(wú)法貫穿整個(gè)極間，因此不會(huì)擊穿，即為無(wú)火花放電。
• 3）平均電子能量與電場(chǎng)強(qiáng)度和氣體放電劇烈程度有關(guān)。當(dāng)氣體放電過(guò)程較為劇烈時(shí)會(huì)增加電子能量，進(jìn)而維持氣體放電的持續(xù)發(fā)展；反之，氣體放電過(guò)程會(huì)進(jìn)一步衰弱。
• 4）甲烷濃度不同，放電過(guò)程中電離主導(dǎo)粒子不同；隨著甲烷濃度上升，氣體電離難度增加。
• 5）陰極電流密度與甲烷濃度呈現(xiàn)良好的單值線性關(guān)系，且響應(yīng)時(shí)間較快。

本文的機(jī)理仿真研究為微納電離式器件敏感易燃易爆氣的實(shí)驗(yàn)研究奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)制備適用于智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)的高性能氣敏傳感器具有良好借鑒意義。