次世代MEMSマルチガスセンシング

ガスの検知は重要な機能ですが、テクノロジーは何十年も変わっていません。そこで、ネバダ州スパークスのNevadaNanoから新しいタイプのセンサーについて聞いたとき、彼らのエンジニアリングディレクターであるBenRogersにインタビューすることにしました。

分子特性分光計

彼らは自分たちのセンサーをMEMSベースのデバイスであるMolecularPropertySpectrometer™（MPS™）と呼んでいます。

MPS可燃性ガスセンサーは、水素を含む最も一般的な12の可燃性ガスの濃度を検出および識別できます。 MPSメタンガスセンサーは、石油およびガス産業のメタン漏れを監視するように設計されています。 MPS冷媒ガスセンサーは、すべて同じ技術に基づいて、軽度の可燃性の低地球温暖化冷媒を検出します。 Rogersによると、彼らのセンサーは、従来のPellistor（触媒ビーズセンサー）や非分散型赤外線センサー（NDIR）よりもはるかに正確で信頼性があります。ほとんどの従来のセンサーには、ある種の化学反応を励起するコーティングが施されています。問題は、時間の経過とともに、反応を可能にする検知サイトが台無しになる可能性があることです。ただし、MPSは不活性なシリコンベースの表面であり、化学反応を必要としません。ロジャーズ氏によると、それは熱くなり、空気の熱力学的特性を測定し、その後再び冷えるので、キャリブレーションなしで10年以上続くことができます。

ガスの識別

MPSは、図1に示すように、約1インチサイズのパッケージに組み込まれています。テスト対象の空気は、上部のメッシュスクリーンから入り、人間の髪の毛と同じ直径の吊り下げられたテザーマイクロホットプレートに衝突します。直径100ミクロン。ホットプレートは、摂氏数百度まで加熱できます。熱源はジュール熱であり、図1の挿入図に示すように、抵抗素子を介して電流が供給されます。電流はテザーの1つに流入し、渦を巻いてそのトレースから流出します。 「ホットプレートの抵抗を測定できます。これにより、ホットプレートの温度と、その温度に到達するまでにかかった電力がわかります」とRogers氏は述べています。プレートの温度とその温度に到達するために必要な電力との関係は、空気の熱伝導率の関数です。空気にガスが含まれていると、その熱特性が変化します。たとえば、メタンが空気中に存在し、ホットプレートが加熱されている場合、メタンは空気よりも熱伝導性が高いため、メタンが存在しない場合よりも、ホットプレートを適切な温度に保つためにより多くの電力が必要になります。

その独自の特性の鍵となるMPSは、シリコンチップと同様に製造されたMEMSデバイスです。また、MEMSデバイスであるため、動作に必要な電力はごくわずかです。 「これまで、検出しているガスのクラスを示す可燃性センサーはありませんでした。検出を行うときは、分類も提供します。たとえば、センサーは存在する濃度を報告し、それが水素、またはペンタンのような中程度のガス、または水素混合物であることを報告します」とRogers氏は述べています。 「従来のガスセンサーには、分類を行う機能がありませんでした。それが私たちを非常に正確にしている理由です。そこにあるガスに合わせてキャリブレーションを調整できるからです。」

濃度

重要な濃度の単位は爆発下限界（LEL）です。これは、発火源の存在下で一瞬の火を発生させることができる空気中のガスの最低濃度（体積パーセント）です。ユーザーはLELの50％にどれだけ近いかを知りたいので、各ガスのLELが異なるため、どのガスが存在するかを識別する機能が重要です。

図2は、配信された濃度と報告された濃度のプロットを示しています。これは、この分野のセンサーに関する主要な問題の1つを示しています。完璧なセンサーは、報告された内容を正確に伝えます。真ん中まで届きます。濃度を過大報告するセンサーは、アラームのトリガーが早すぎて、コストのかかる誤検知を引き起こします。過少報告は偽陰性をもたらし、これは危険です。理想的には、カーブを真ん中に配置する必要があります。右側のプロットに見られるように、MPSセンサーの精度は、7つの異なるガスのコストに見合っています。

MPSを非常に正確にしているのは、存在するガスが何であれ、センサーソフトウェアによってリアルタイムでキャリブレーションが自動的に調整されることです。

MPSと従来のガスセンサー

NDIRセンサーは通常、メタンに対して較正されているため、メタンについて配信されたものと報告されたもののグラフは1対1です（図3、左）。しかし、これらのアプリケーションで通常遭遇する他のすべてのガスについては、それははるかに過大報告されます—それははるかに高く読まれます。また、湿度や温度が比較的急速に変化すると、誤検知が発生しやすくなります。重要なのは、水素がまったく見られないことです。水素は、世界中で多くの用途でますます重要なガスになりつつあります。

触媒ビーズ（猫ビーズ）は、このスペースのもう1つのセンサーです（図3、右）。メタンに合わせて調整すると、メタンは正しくなりますが、これらのアプリケーションで一般的な他のガスに遭遇した場合は、読み取り値が低くなります。さらに、時間の経過とともに、触媒反応に依存する猫のビーズは簡単に中毒になります。誰かがハンドクリームを着ているこのセンサーと同じ部屋にいる場合、それはそれを毒するのに十分なので、それはもう機能しません。

または、あなたが消防士で、その日にトラックにワックスをかけると、建物内のすべてのセンサーが汚染される可能性があります。そのため、頻繁で費用のかかるサービスが必要になります。定期的にチェックする必要があります。中毒にならないように、毎日または毎月チェックする場所もあります。

「図2に示すように、センサーは、配信された濃度と報告された濃度の観点から、真ん中の軌道をたどります。 MPSは工場でメタンに対してのみ校正されていますが、これらすべてのガスに対して非常に正確です。しかし、私たちが空気を調べる方法のおかげで、実際にどのガスが存在するかを判断することができます。これは前例のないことです」とロジャーズ氏は述べています。

アルゴリズム

「私たちは2つのことが得意です」とロジャーズは言いました。 「1つはホットプレートセンサーの構築であり、これには何年もの開発が必要でした。そして2つ目は、そのホットプレートと話す方法を学ぶことです。」基本的なデバイスは非常にシンプルです—加熱された抵抗器と温度測定だけです。その情報がどのように使用されるかは、センサーが機能するための鍵です。ホットプレートからのデータと、温度、圧力、湿度を測定する環境センサーからのデータを使用して、読み取り値を取得します。 「2秒ごとにホットプレートからデータを取得し、環境センサーからデータを取得し、開発に15年を要した一連のアルゴリズムを実行します。「これはこのガスであり、この濃度です」とそれがトリックです」とロジャーズは言いました。

同じデータを取得し、アルゴリズムを変更することで、NevadaNanoはソフトウェアの変更に基づく数十の製品を開発できるようになりました。たとえば、地球温暖化の少ない新しい種類の冷媒があります。しかし、これらの新しい冷媒の多くは、空調ユニットや冷蔵庫などで使用されており、可燃性です。したがって、すべての住宅用エアコンは、危険な状態を防ぐために可燃性センサーを必要とします。これらの冷媒分子の熱力学的特性に基づいて、NevadaNanoは、ソフトウェアを変更するだけで、その特定の種類のガスまたは複数のガスに独自に適した製品を考案することができました。それで、約1か月以内に、彼らは新しいAlpha製品を手に入れ、それを取り出して人々に見せ始めました。

キャリブレーション

私はロジャースに、特定のガスについて各センサーを校正する必要があるかどうか尋ねました。彼は、それはどのガスを検出する必要があるかによると答えた。標準的な可燃性ガスの場合、工場での校正ガスとしてメタンを使用します。 「センサーのメタンを示したら、水素、ブタン、プロパンに合わせて調整する必要はありません。他のすべてのガスも直感的に感知します。」したがって、たとえば、水素固有のセンサーを校正するために、必ずしも工場で水素を使用する必要はありません。

アプリケーション

次に、Rogersに典型的なアプリケーションについて尋ねました。 「私たちは単なるセンサーです。検出器システムに接続される小さなバケツ型のデバイスです。たとえば、今日製油所に行って壁を見回すと、商用電力計のように見える何十ものデバイスが表示されます。」硫化水素センサー、酸素センサー、一酸化炭素センサー、MPSなどの可燃性ガスセンサーなど、複数のセンサーが接続されています。

建物に駆け込んだ消防士やその他の最初の対応者は、通常、いわゆる4ガスセンサーを着用します。これは、肩に座ってMPSを含む4つのガスセンサーを備えた小さな携帯電話サイズのデバイスです。

まとめ

Rogersによると、MPSは、30年以上にわたってガス検知のための最も革新的な技術です。これは、既存のテクノロジーの欠点を克服します。急激な温度や湿度の変化など、幅広い動作範囲で安定しています。一般的な可燃性ガス（水素を含む）のリストについては正確です。さらに、MPSは、複数または未知のガスが存在する環境に使用でき、本質的に安全で堅牢であり、中毒の影響を受けません。

この記事は、SensorTechnologyの編集者であるEdBrownによって書かれました。詳細については、こちらをご覧ください 。