0 引言
瓦斯突出和爆炸是我国煤矿开采的主要灾害之一[1]。瓦斯的主要成分是甲烷，对甲烷浓度进行精确检测有利于瓦斯抽采计量，检测结果可用于瓦斯事故预警，保障人员和设备安全。我国煤矿广泛使用基于催化燃烧原理的甲烷传感器，其成本低，可靠性高，检测精度高，环境适应力强。然而，传统的催化甲烷传感器功耗高，单路本安电源带载数量少，带载距离短，配套电源和布线成本较高，限制了其在无线监测上的应用[2]。特别地，煤矿瓦斯监控系统的智能化升级和传感层单总线覆盖需求对传感器功耗提出了更高要求[3]。传统的催化甲烷传感器的高功耗极大地制约了其在新型总线型监控系统上的应用[4]。
随着微型机电系统(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)技术的兴起，基于MEMS技术的新型催化甲烷传感器成为研究热点，其不仅性能比传统催化元件更优异，而且功耗远小于传统催化元件[5-7]。因此，本文选用MEMS催化元件作为传感器的敏感元件，在分析其性能的基础上提出脉冲供电工作方式，进一步降低了元件长期工作的平均功耗。
1 MEMS催化元件制作工艺
传统的催化元件采用催化珠悬空的设计方式，易受冲击和振动的影响，容易断丝，其结构如图1所示[8]。
图1 传统催化元件结构
Fig.1 Structure of traditional catalytic component
MEMS催化元件在检测原理上与传统催化元件相似，其突出的性能优势主要来源于创新性的结构设计[9-10]。与传统催化元件不同，MEMS催化元件采用以下工艺制作加热器：在硅片晶元上蚀刻出蛇形凹槽，用沉淀法将铂金材料沉淀于凹槽内，形成蛇形电热丝。通过在不同加热器上分别印刷贵金属催化剂和惰性材料，形成催化珠和补偿珠，MEMS催化珠示意图和实物如图2和图3所示[11]。
图2 MEMS催化珠示意
Fig.2 Illustration of MEMS catalytic beads
蚀刻和印刷工艺确保了元件的高度一致性，加热器嵌入在晶元上,也极大地加强了元件的抗振动和抗冲击性能。特别地，嵌入在硅片上的电热丝通电时能够迅速加热并获得稳定且均匀分布的温度场，从而极大地降低功耗[12]。在3 V恒压供电模式下测试MEMS元件和传统元件的功耗， MEMS催化甲烷元件功耗低至120 mW，而传统催化元件的功耗为440 mW。
图3 MEMS催化珠实物
Fig.3 Physical MEMS catalytic beads
2 脉冲供电模式设计
为进一步降低功耗，用脉冲方式给MEMS催化元件供电[13]。采用惠斯通电桥测量元件的输出信号，电路如图4所示。
图4 MEMS催化元件测试电路
Fig.4 MEMS catalytic component test circuit
MEMS催化元件采用高精度LDO电源芯片LP3985IM5-3.0供电。测试前，先在3.0 V恒压下通过调零电路对电桥调零，使输出电压Vout接近0。为确定占空比，选用2个MEMS催化元件，在实验室环境下(20～23 ℃)分别采用100 ms“ON”/700 ms“OFF”和300 ms“ON”/700 ms“OFF”的驱动脉冲做元件稳定性测试，结果如图5(上电时间为100 ms)和图6所示(上电时间为300 ms)。
图5 MEMS催化元件稳定性测试结果1
Fig.5 Result 1 of MEMS catalytic component stability test
当上电时间“ON”为100 ms时，催化元件通电时间太短，未达到热平衡状态，输出不稳定；当上电时间延长至300 ms时，元件输出稳定且灵敏度较高。继续延长上电时间，输出稳定性和灵敏度都没有明显变化，故选择上电时间为300 ms。进一步分析断电时间“OFF”的影响，分别测试恒压供电及断电时间为300，700，1 500 ms时元件的灵敏度，结果见表1。
图6 MEMS催化元件稳定性测试结果2
Fig.6 Result 2 of MEMS catalytic component stability test
表1 MEMS催化元件灵敏度测试结果
Table 1 Test results of sensitivity of MEMS
catalytic component
测试结果显示，断电时间对灵敏度影响不大。为兼顾传感器的响应时间，确定断电时间为700 ms。除非特别说明，下文的脉冲供电驱动皆为300 ms“ON”/700 ms“OFF”，该模式下，MEMS催化元件平均功耗只有恒压供电时的3/10，低至36 mW，不到传统元件功耗的1/10。
3 MEMS催化元件性能测试
在实验室环境下测试MEMS催化甲烷元件在脉冲供电和恒压供电下的关键性能指标。选用同一批次的3个元件，分别记为A，B，C，其中A和B采用脉冲供电，C采用恒压供电，所有测试均采用图4所示的电路，并在测试前预先调零。
3.1 线性测试
在20 ℃恒温条件下，分别测试2种供电方式下元件的线性特性，结果如图7所示。可见，3个元件线性特性一致，线性度均较好，灵敏度相近。
3.2 零点温度特性测试
将所有测试电路在常温下调零后置于恒温箱中，设置温度变化率不超过1.5 ℃/min，湿度保持恒定。测试时温度从低到高变化且每个温度点至少保持恒温2 h以上。测试结果如图8所示，随着温度的升高，2种供电模式下元件零点都向正向漂移，漂移特性较为一致且规律性强，可以对零点温度进行分段线性补偿[14]。
图7 MEMS催化元件线性特性测试结果
Fig.7 Test result of linear characteristics of MEMS catalytic component
图8 MEMS催化元件零点温度特性测试结果
Fig.8 Test result of zero temperature characteristics of MEMS catalytic component
3.3 灵敏度特性测试
为准确测试温度对灵敏度的影响，在恒温箱中给元件预先装上通气罩，用1根10 m长的铜制导气管连接通气罩，并将铜制导气管悬挂于恒温箱中，避免其与恒温箱壁接触，造成温度与箱内环境不一致。在20 ℃恒温下，先对电桥进行线性标定。测试过程中温度从低到高变化，以300 mL/min流速用导气管向元件通入体积分数为1%的甲烷样气。测试结果如图9所示，以20 ℃为参考，当温度降低时2种供电方式下元件灵敏度向上漂移，当温度升高时二者均向下漂移，漂移量小于5%。整体上，2种供电方式下灵敏度与温度成线性关系，可进行灵敏度-温度线性补偿。
3.4 零点漂移与灵敏度漂移测试
在灵敏度特性测试基础上进行零点漂移和灵敏度漂移测试。调节恒温箱温度使温度保持在20 ℃并对电桥进行调零，每天测试零点和灵敏度2次，记
图9 MEMS催化元件灵敏度特性测试结果
Fig.9 Test result of sensitivity characteristics of MEMS catalytic component
录平均值。测试过程如下：① 通入新鲜空气，测试元件零点；然后通入体积分数为1%的甲烷气体，测试灵敏度。② 通入体积分数为0.5%的甲烷气体12 h。③ 通入新鲜空气，测试零点；通入体积分数为1%的甲烷气体，测试灵敏度。④ 通入新鲜空气12 h。
零点漂移量和灵敏度漂移量分别用式(1)和式(2)计算。
(1)
(2)
式中：δ为零点漂移量，%；N为测量次数；Zi为第i次零点电桥电压，V；Si为第i次灵敏度测试电桥电压，V；θ为灵敏度相对漂移量，%。
持续测试90 d，结果如图10和图11所示。
图10 MEMS催化元件零点漂移测试结果
Fig.10 Test result of zero drift of MEMS catalytic component
图11 MEMS催化元件灵敏度漂移测试结果
Fig.11 Test result of sensitivity drift of MEMS catalytic component
由测试结果可知,MEMS催化元件在脉冲供电下工作90 d，平均零点漂移为0.08%CH4，灵敏度衰减4%；而恒压供电模式下零点漂移为0.12%CH4，灵敏度衰减6%。显然，采用脉冲供电方式时元件性能更好。
4 结语
分析了MEMS催化元件制作工艺及其特性，提出了MEMS催化元件脉冲供电的工作方式，并对脉冲供电下MEMS催化元件的基本性能进行了测试。结果表明，该模式下MEMS催化元件功耗远小于传统催化甲烷元件，在长期稳定工作中有更优异的性能。
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