瓦斯是煤礦自然災(zāi)害的重要根源，當(dāng)煤礦開采中不能及時有效地檢測和抽放瓦斯時，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)安全進行，需要對甲烷濃度進行快速準(zhǔn)確檢測。

目前煤礦井下甲烷檢測手段有很多，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，但是這些檢測方法存在反應(yīng)較為遲鈍、系統(tǒng)復(fù)雜和維護困難等問題。

智慧礦山中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對甲烷傳感器提出易集成、實時性強的新需求，而納米材料科學(xué)的突破性進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)生的高場增強因子，可在低電壓下實現(xiàn)氣體電離，其電離效應(yīng)的宏觀電特性（放電電流、電壓）能夠識別氣體濃度，具有響應(yīng)快（10-4 s）、易集成、低功耗的優(yōu)點，有望解決氣體在線準(zhǔn)確測量的問題，引發(fā)國內(nèi)外多家研究小組對其開展研究。

• 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納米線作為場致電離式氣體傳感器的陽極，發(fā)現(xiàn)納米線的尖端在相對低的電壓下產(chǎn)生了非常高的電場，且傳感器具有良好的靈敏度和選擇性。
• R.Mohammadpour等通過熱氧化方法制造了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等使用具有三重對稱性的Mn納米花薄膜和不銹鋼球分別作為場電離氣體傳感器的陰極和陽極，在低氣壓范圍內(nèi)研究了包括N2、O2、Ar等氣體的擊穿電壓，證明測量結(jié)果符合帕邢定律。

課題組長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O2、SO2、NO2等多種氣體的單值敏感特性，通過計算第一電離系數(shù)α分析了電場強度對氣敏單值規(guī)律的影響。為了進一步研究電離機理，基于泊松方程計算了從陰極納米尖端至陽極的靜態(tài)電場空間分布，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，但對其電離效應(yīng)動態(tài)機理的深入研究還不完備，因此缺少對傳感器性能優(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題，傳感器內(nèi)部電離動態(tài)過程的分析可以為實驗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)的電離體系過于龐大復(fù)雜，因此先考慮空氣中最主要成分氮氣（N2）對甲烷（CH4）放電過程的影響，在明確其內(nèi)部機理的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究其他因素的作用。

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

圖1 仿真計算模型

結(jié)論

本文通過理論建模研究甲烷在帶有微納米尖端微米級間隙下的動態(tài)放電過程。首先分析放電過程的電場畸變對放電安全性的影響，闡述安全放電狀態(tài)下的電子輸運過程；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)系及機理；最后計算并分析該微納電離式器件對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渡時，電流密度和電場強度會同時發(fā)生突變。放電動態(tài)過程產(chǎn)生的空間電荷使電場畸變?yōu)樨摃r，為非自持安全放電；電場畸變?yōu)檎龝r，轉(zhuǎn)為擊穿放電。
• 2）甲烷安全非自持放電過程中，直接碰撞電離反應(yīng)導(dǎo)致的電子崩從電場強度最強的陰極形成，會向陽極推進但無法貫穿整個極間，因此不會擊穿，即為無火花放電。
• 3）平均電子能量與電場強度和氣體放電劇烈程度有關(guān)。當(dāng)氣體放電過程較為劇烈時會增加電子能量，進而維持氣體放電的持續(xù)發(fā)展；反之，氣體放電過程會進一步衰弱。
• 4）甲烷濃度不同，放電過程中電離主導(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)時間較快。

本文的機理仿真研究為微納電離式器件敏感易燃易爆氣的實驗研究奠定理論基礎(chǔ)，對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。