1．目的及意义

在我们的日常生活中经常使用到一些可燃性气体，如家用的天然气以及迅速普及的沼气池等，而在化工生产及能源行业，可燃性气体则更加常用。可燃性气体在为我们日常生活带来便利，为化工生产能源行业带来巨大收益的同时，也可能会带来安全隐患。日常生活中和工业生产中可燃性气体泄漏事故时有发生，不仅会造成设备损坏，环境污染，由此引发的爆炸事故往往造成严重的人员财产损失。因此在生产生活中需要对可燃性气体进行即时、准确的检测，对可燃性气体的浓度实时监控，在可燃性气体浓度达到爆炸下限（LEL）的10%时发出警报，以便即时采取措施，防止灾难发生。

常见的可燃性气体包括烷类、氢气、一氧化碳和醇类等，如油田开采以及日常生活中用的天然气、沼气的主要成分是甲烷，石油化工行业常用的液化石油气主要成分是丙烷、丙烯等。工业生产以及生活中可能存在的可燃性气体成分复杂，我们选取具有代表性且实际气体混合物中的主要成分气体作为实验用气体。本次毕业设计基于MEMS技术的低功耗催化燃烧传感器选择甲烷气体作为实验对象，因为甲烷是工业中的瓦斯气体以及生活中天然气和沼气的主要成分，并且甲烷气体也常用于石油化工产品质量检测和工业尾气检测等工业基础校标中。

目前主流的甲烷气体检测器件有催化燃烧式传感器、半导体气敏传感器、光纤传感器、气相色谱传感器和红外光谱传感器等，其中催化燃烧式传感器结构简单，成本低且工作稳定，因此得到了广泛应用。催化燃烧式传感器是利用甲烷气体的催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，甲烷气体在检测元件载体表面催化剂的作用下发生无焰燃烧，产生热量使检测元件温度升高，元件内部铂丝阻值升高，电桥失去平衡，从而输出与甲烷浓度成正比的电信号。

国内Wang Ying等人通过掺杂稀土元素铈改进后的催化燃烧式传感器，不仅提高了器件的抗硫性能和热稳定性，而且在探测系统中应用恒温电路，将甲烷气体浓度的探测范围拓展至4%-10% ，利用线性优化方法将0%-10%浓度甲烷的探测误差控制在5%以下，完全满足测量要求。

但是传统的催化燃烧式传感器仍然存在工作温度高，功耗太高等问题，Lv Xiaoqing等人阐述了可以应用基于MEMS技术的催化燃烧式传感器检测煤矿中的甲烷气体浓度。微机电系统MEMS概念起源于美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard P Feynman在1959年提出的微型机械的设想，作为微机电系统的一个部分微传感器利用集成电路工艺和微组装工艺，将电子元件集成在一个基片上的传感器，与传统传感器相比具有以下优点：灵敏度高、空间占有率小、低功耗、工作稳定和成本低等优点。国外Saha H.等设计、制造并测试了基于纳米ZnO的MEMS传感器，在100-150毫瓦的功耗范围以及150-200摄氏度的温度范围，测试得到器件对于甲烷气体远大于50%的灵敏度和小于15秒的响应时间。P.Bhattacharyya制备了基于纳米ZnO薄膜的低功耗MEMS传感器，此传感器在250摄氏度对1%的甲烷有很好的响应(87.3%),响应时间8.3秒，恢复时间17.8秒功耗为120mW，在150摄氏度对1%的甲烷响应时间14.3秒，恢复时间28.7秒，功耗仅为70mW.

基于MEMS技术的传感器可以解决传统催化燃烧传感器机械强度不高，长期使用催化活性减弱以及催化燃烧元件功耗高等问题，但是仍存在一些缺陷。基于MEMS技术的低功耗催化燃烧传感器由于加热器面积小因此催化剂负载量小，由此造成甲烷气体催化燃烧时传感器输出的信号强度弱，信噪比小等问题。针对以上问题，本次毕业设计采用溶胶凝胶法制备高比表面贵金属薄膜，将此应用于传感器催化元件结构，探索开发一种新型的基于MEMS技术的甲烷催化燃烧传感器。
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2. 研究的基本内容与方案

{title} 研究目标：
针对基于MEMS技术的低功耗甲烷催化燃烧传感器加热区面积小，催化剂负载量小，由此带来的传感器工作时产生的信号强度弱、信噪比太小、难以满足实际应用的要求等问题，采用溶胶凝胶法制备高比表面氧化铝载体/贵金属Pb-Pt催化剂体系，并应用于甲烷催化燃烧式传感器中，开发出一种新型的基于MEMS技术的甲烷催化燃烧传感器，在此基础上对其性能进行测试。
研究的基本内容：
（1）选择Pb-Pt作为催化剂，采用溶胶凝胶法制备高比表面的氧化铝载体以及Pb-Pt催化剂体系，使其满足在MEMS系统的微加热器上催化燃烧甲烷的需要。
（2）制备基于MEMS技术的低功耗甲烷催化燃烧式传感器的催化元件。将溶胶凝胶法制备的溶胶通过旋转涂膜或者微量喷涂技术，在MEMS系统的微加热器上涂敷薄膜，加热后使其成为高比表面的 薄膜，制得白元件。再将含有催化剂Pb-Pt的溶胶涂敷在 薄膜上，制成基于MEMS技术的甲烷催化燃烧传感器黑元件。
（3）制备基于MEMS技术的甲烷催化燃烧传感器。将黑元件和白元件配对构成惠特斯通电桥，进而制备出传感器器件。
（4）对制备的传感器进行测试，在不同工作电压下通入浓度为1%的甲烷气体测试输出信号以及功耗。
拟采用的技术方案及措施：
（1）溶胶凝胶法制备高比表面的载体及催化剂体系。
（2）旋转涂膜技术或者微量喷涂技术制备催化元件。
（3）利用体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术制备为加热器芯片，进而制备基于MEMS技术的催化燃烧传感器。
（4）体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心。
（5）表面牺牲层技术是表面微机械加工的主要工艺。
（6）采用相应的封装技术将芯片封装。
3. 参考文献

[1]F. Zaza, I. Luisetto, E. Serra, etal. Catalytic combustion of methane by perovskite-type oxide nanoparticles aspollution prevention strategy[J]. AIP Conference Proceedings, 2016, 02003: 1-9.

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[3]George Fedorenko, LudmilaOleksenko. Semiconductor Gas Sensors Based on Pb/SnO2 Nanomaerials for MethaneDetection in air[J]. Nanoscale Research Letters, 2017, 12(329): 24-33.

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