在我国的能源消耗中,煤炭历来都占据着重要地位。而我国煤矿多属于地下煤矿,开采难度大,安全隐患多,尽管国家时刻关注安全生产工作,但因瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。瓦斯爆炸的必备条件之一是甲烷(CH4)气体在空气中的浓度必须要达到5%–16%。所以如果能够对甲烷浓度进行及时、准确地检测,做到只要甲烷浓度处于爆炸限内或者处于爆炸上限以上的高浓度区,就可及时让工作人员撤出矿井,并对井下通风,稀释甲烷浓度,就可避免爆炸的发生或人员的窒息中毒。因此,研制高分辨率、高灵敏度的甲烷传感器具有重要的现实意义。目前,国内外学者均在积极运用红外吸收法来实现甲烷气体的检测。红外吸收法克服了其他检测法常校准、误差大、寿命短等缺点,同时拥有检测速度快、选择性好、可测光谱宽等众多优点。本文基于红外吸收原理与单光路双波长差分吸收法,采用宽波长、高调制频率和长寿命的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)红外光源,设计了一种三椭球体结构的红外吸收气室,提出一种高分辨率的红外甲烷传感器,研究显示该传感器对于3.31μm波长红外光,其检测到的最小甲烷浓度可达到1.58ppm,由此使得该红外甲烷传感器的检测分辨率得到了显著的提高,扩展了其使用范围,不仅适用于矿井,也适用于分辨率要求更高的家庭灶具使用天然气、管道输送天然气时等场合气体微泄漏的检测。本文主要研究内容如下:1)设计三椭球结构吸收气室。该新型气室可使红外光线经5次反射后到达探测器,有效延长了光程;运用lighttools软件对所建立的气室模型进行了分析和研究,根据得到的模拟图显示该气室对光线实现了有效地聚焦,光线主要分布于中心条形区域,并且具有较好的对称性,集中区域范围为纵向为±2mm,横向为±6mm,完全覆盖了热释电探测器两个接收窗口的尺寸范围,调整热释电探测器位置,使两个接收窗口的纵横方向与红外光线照射分布纵横方向一致,即可实现探测器的最大接收;理论分析了该传感器可检测达到的最小甲烷浓度,即达到了1.58ppm,从理论上验证了本文气室能够显著提高红外甲烷传感器的分辨率。2)设计mems红外光源。为了减小光源尺寸以及向传感器提供高性能光源,本文利用mems技术设计了红外光源,并就光源结构设计和各膜层材料选择进行了阐述;为了使光源工作在较高温度时产生的形变和热应力尽可能地小,运用comsolmultiphysics软件对mems光源模型的厚度参数进行了仿真分析,优化得到了sio2支撑层厚度值的最优值0.58μm和si3n4钝化层厚度的最优值0.72μm,使得mems红外光源得到了较高的工作温度和较小的形变与应力,为后续该光源的实际制作提供了尺寸参数。3)进行了红外甲烷传感器部分电路设计。电路设计主要包括电源充电电路、升压电路、降压电路、光源稳压驱动电路以及放大滤波电路等电路的设计;计算得到了放大滤波电路放大倍数的理论值,运用proteus软件对放大滤波电路性能进行了仿真验证,得到了仿真中该电路的放大倍数,与理论值的吻合较为理想,说明了该电路具有较好的放大效果;通过得到的噪声图和幅频图得出该放大滤波电路对传感器中心频率2Hz之前和之后的噪声具有较好的抑制效果。4)使用模块化方法对软件进行设计,包括主程序、初始化程序、信号采集程序等主要程序的设计,单片机调用各程序来实现红外甲烷传感器的功能。