学术简报︱微纳电离式矿井甲烷传感器安全放电及敏感机理仿真
西安科技大学电气与控制工程学院、西安科技大学机械工程博士后流动站的研究人员柴钰、弓丽萍、张晶园、赵永秀，在2019年第23期《电工技术学报》上撰文指出，矿井环境下甲烷检测对瓦斯灾害的防控至关重要。微纳结构电离式传感器有响应快、易集成等特点，有望实现甲烷的快速准确检测。目前该传感器内部机理尚不完备，缺少对甲烷放电安全特性的理论及参数指导。
对此，采用流体-化学动力学混合方法，仿真研究甲烷-氮气混合气体在纳米尖端微米级间隙的放电动态过程。通过计算空间电荷引起的电场畸变程度，分析甲烷无火花放电的关键参数，并基于带电子输运过程阐明甲烷安全放电机理；分析正离子成分、电子能量随甲烷浓度的演化过程，最终建立器件宏观电特性与甲烷电离效应的联系，完善微纳电离式器件的敏感机理，并分析其敏感性能。该研究为制备矿用电离式甲烷传感器奠定了理论基础。
瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源，当煤矿开采中不能及时有效地检测和抽放瓦斯时，极易发生瓦斯事故，严重威胁到煤矿作业人员的生命安全，影响矿井正常生产。瓦斯气体最主要的成分为甲烷，为保障矿井作业安全进行，需要对甲烷浓度进行快速准确检测。
目前煤矿井下甲烷检测手段有很多，主要方法有气敏半导体法、热催化法、红外激光光谱法、热导率法和光学方法，但是这些检测方法存在反应较为迟钝、系统复杂和维护困难等问题。
智慧矿山中物联网技术的发展，对甲烷传感器提出易集成、实时性强的新需求，而纳米材料科学的突破性进展为这种高性能的气体传感器提供了物质基础。采用碳纳米管（CNTs）和氧化锌纳米线等材料作为放电电极的微纳电离式传感器，利用微纳米尖端产生的高场增强因子，可在低电压下实现气体电离，其电离效应的宏观电特性（放电电流、电压）能够识别气体浓度，具有响应快（10-4 s）、易集成、低功耗的优点，有望解决气体在线准确测量的问题，引发国内外多家研究小组对其开展研究。
A.Modi等利用多壁碳纳米管制备电离式气体传感器，发现该传感器可利用击穿电压的不同准确识别He、Ar、Air、NH3等七种气体，其气体浓度与放电电流有线性关系，这也标志着基于气体放电原理的微纳电离式气体传感器的诞生。
L. Liao等使用ZnO纳米线作为场致电离式气体传感器的阳极，发现纳米线的尖端在相对低的电压下产生了非常高的电场，且传感器具有良好的灵敏度和选择性。
R.Mohammadpour等通过热氧化方法制造了CuO纳米线作为气体电离传感器的阴极，发现常温常压下He、Ar和CO最低击穿电压可低于100V。
R.Savari等使用具有三重对称性的Mn纳米花薄膜和不锈钢球分别作为场电离气体传感器的阴极和阳极，在低气压范围内研究了包括N2、O2、Ar等气体的击穿电压，证明测量结果符合帕邢定律。
课题组长期研究微纳电离式传感技术及其在工业领域的应用问题，系统地探索了常压N2背景下传感器结构、极间参数、极间电压对O2、SO2、NO2等多种气体的单值敏感特性，通过计算第一电离系数α分析了电场强度对气敏单值规律的影响。为了进一步研究电离机理，基于泊松方程计算了从阴极纳米尖端至阳极的静态电场空间分布，并结合目标气体与背景气体的电离化学反应定性分析传感器放电电流随气体浓度变化的规律。
相关研究已经表明，微纳电离式传感器具有辨识多种气体种类（O2、Ar、NH3等）的能力，并且响应速度和稳定性良好，但对其电离效应动态机理的深入研究还不完备，因此缺少对传感器性能优化的理论指导；另一方面，研究甲烷等易燃易爆气体的电离效应，首要保证的就是放电安全性的问题，传感器内部电离动态过程的分析可以为实验提供安全放电的理论参数。
由于将湿度、光照条件等相关参数都包含在内的电离体系过于庞大复杂，因此先考虑空气中最主要成分氮气（N2）对甲烷（CH4）放电过程的影响，在明确其内部机理的基础上继续深入研究其他因素的作用。
因此本文针对微纳电离式传感技术在矿井甲烷检测方面所面临的问题，通过理论建模研究甲烷在带有微纳米尖端微米级间隙下的动态放电过程，分析甲烷在微米级间隙下从安全放电向击穿放电过渡过程及关键参数，研究该电离式传感器对甲烷浓度敏感的内部机理并分析其敏感性能。
图1 仿真计算模型
本文通过理论建模研究甲烷在带有微纳米尖端微米级间隙下的动态放电过程。首先分析放电过程的电场畸变对放电安全性的影响，阐述安全放电状态下的电子输运过程；其次系统研究甲烷内部电离效应与器件宏观电流密度的联系及机理；最后计算并分析该微纳电离式器件对甲烷浓度的敏感性能，主要得出以下结论：
1）甲烷从非自持安全放电向击穿放电过渡时，电流密度和电场强度会同时发生突变。放电动态过程产生的空间电荷使电场畸变为负时，为非自持安全放电；电场畸变为正时，转为击穿放电。
2）甲烷安全非自持放电过程中，直接碰撞电离反应导致的电子崩从电场强度最强的阴极形成，会向阳极推进但无法贯穿整个极间，因此不会击穿，即为无火花放电。
3）平均电子能量与电场强度和气体放电剧烈程度有关。当气体放电过程较为剧烈时会增加电子能量，进而维持气体放电的持续发展；反之，气体放电过程会进一步衰弱。
4）甲烷浓度不同，放电过程中电离主导粒子不同；随着甲烷浓度上升，气体电离难度增加。
5）阴极电流密度与甲烷浓度呈现良好的单值线性关系，且响应时间较快。
本文的机理仿真研究为微纳电离式器件敏感易燃易爆气的实验研究奠定理论基础，对制备适用于智慧矿山物联网的高性能气敏传感器具有良好借鉴意义。