革新的MEMSマルチガスセンサー：12種類の可燃性ガスを高精度検知

ガス検知は重要な機能ですが、その技術は数十年間変わっていません。そこで、NevadaNano（ネバダ州スパークス）から全く新しいタイプのセンサーが登場したと聞き、同社のエンジニアリングディレクター、Ben Rogers氏にインタビューしました。

分子特性分光計

同社はMEMSベースのデバイスであるこのセンサーを、Molecular Property Spectrometer™（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種類の可燃性ガスの濃度を検知・特定できます。MPSメタンガスセンサーは石油・ガス業界向けにメタン漏洩を監視するよう設計されています。MPS冷媒ガスセンサーは、微燃性の低地球温暖化係数冷媒を検知します。これらはすべて同じ技術に基づいています。Rogers氏によれば、このセンサーは従来のペリスタ（触媒ビーズセンサー）および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高いとのことです。従来のセンサーの多くは、何らかの化学反応を励起するコーティングを持っています。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破壊されることです。一方、MPSは不活性なシリコンベースの表面を持ち、化学反応を必要としません。加熱して空気の熱力学的特性を測定し、再び冷却するだけなので、キャリブレーションなしで10年以上持続可能だとRogers氏は述べています。

ガスの特定

MPSは約1インチサイズのパッケージに内蔵されています（図1参照）。測定対象の空気は上部のメッシュスクリーンから入り、直径が髪の毛と同じ100マイクロメートルの吊り下げ型マイクロホットプレートに衝突します。ホットプレートは数百℃まで加熱可能です。熱源はジュールヒーターで、電流が図1のインセットに示すように抵抗素子を通過します。電流はテザーの一方から入り、渦を巻いてもう一方のトレースから出ます。「ホットプレートの抵抗を測定することで、その温度と、その温度に達するために必要な電力が分かります」とRogers氏。プレート温度とそれに達するために必要な電力の関係は、空気の熱伝導率の関数です。空気中にガスが含まれると、その熱的特性が変化します。例えば、空気中にメタンが存在しホットプレートを加熱すると、メタンは空気より熱伝導率が高いため、メタンがない場合よりもホットプレートを適切な温度に保つにより多くの電力が必要になります。

MPSがMEMSデバイスであることがその独自の特性の鍵です。シリコンチップと同様にファウンドリで製造されるため、動作に非常に少ない電力で済みます。「検知しているガスのクラスを教えてくれる可燃性センサーはこれまでありませんでした。検知時に分類も提供します。例えば、センサーは存在濃度とともに、それが水素なのか、ペンタンのような中程度のガスなのか、水素混合物なのかを報告します」とRogers氏。「従来のガスセンサーには分類能力がありませんでした。それが私たちの高精度の理由です。存在するガスに合わせてキャリブレーションを自動調整できるからです。」

濃度測定

重要な濃度の単位は下部爆発限界（LEL）です。これは、点火源存在下で火炎を生成できる空気中のガス最低濃度（体積百分率）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、どのガスが存在するかを特定することが重要です。なぜなら、各ガスのLELは異なるからです。

図2は、供給濃度と報告濃度のプロットを示し、この分野のセンサーの主要な問題の一つを示しています。完璧なセンサーなら、報告値が供給値と完全一致し、中央を一直線に通ります。濃度を過大報告するセンサーは早期にアラームを発し、コストのかかる誤検知を招きます。過小報告は危険な見逃しを招きます。理想的には中央を一直線の曲線が望まれます。右側のプロットからわかるように、MPSセンサーは7種類の異なるガスで正確な測定が可能です。

MPSがこれほど正確なのは、存在するガスに合わせてセンサーソフトウェアがキャリブレーションをリアルタイムで自動調整するからです。

MPSと従来のガスセンサーの比較

NDIRセンサーは通常メタンでキャリブレーションされるため、メタンの供給-報告グラフは1対1になります（図3左）。しかし、これらの用途で典型的に遭遇する他のすべてのガスでは、大幅に過大報告されます。また、湿度や温度が比較的急速に変化すると誤検知しやすい欠点もあります。重要なことに、水素を全く検知できません。水素は世界中で多くの用途においてますます重要なガスになっています。

触媒ビーズ（キャットビーズ）がこの分野のもう一つのセンサーです（図3右）。メタンでキャリブレーションするとメタンでは正確ですが、これらの用途で典型的な他のガスに遭遇すると過小報告します。さらに、触媒反応に依存するキャットビーズは時間とともに容易に毒化します。同じ部屋にこのセンサーがあり、ハンドクリームを塗った人がいるだけで、センサーが毒化して機能しなくなるほどです。

あるいは、消防士がその日にトラックをワックスがけしたら、ビル内のすべてのセンサーが毒化する可能性があります。そのため、頻繁でコストのかかるメンテナンスが必要です。定期的にチェックしなければなりません。場所によっては毎日、毎月チェックして毒化を防いでいます。

「図2に示すように、当社のセンサーも供給濃度と報告濃度の面からは中央を一直線に辿ります。MPSは工場ではメタンのみでキャリブレーションされていますが、空気をどうインターロゲートするかにより、どのガスが存在するかを実際に特定できるため、これらすべてのガスに対して高精度です。これは前例のないことです」とRogers氏。

アルゴリズム

「私たちは二つのことが得意です」とRogers氏。「一つはホットプレートセンサーの構築で、これには数年の開発期間を要しました。二つ目は、そのホットプレートとどう対話するかを学ぶことです。」基本デバイスは非常にシンプルで、加熱抵抗器と温度測定だけです。その情報をどう活用するかがセンサー機能の鍵です。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用いて測定値を取得します。「2秒ごとにホットプレートからのデータと環境センサーからのデータを取得し、15年かけて開発した多数のアルゴリズムを実行すると、『このガス、この濃度』という結果が出ます。これがコツです」とRogers氏。

同じデータを用いながらアルゴリズムを変更することで、NevadaNanoはソフトウェア変更のみで数十種類の製品を開発できました。例えば、地球温暖化係数の低い新種の冷媒があります。これらはエアコンや冷蔵庫などで使用されますが、多くが可燃性です。したがって、すべての家庭用エアコンに可燃性センサーが必要になります。それらの冷媒分子の熱力学的特性に基づき、NevadaNanoはその特定ガス種または複数種に特化した製品をソフトウェア変更のみで約1か月で開発し、アルファ版として発表しました。

キャリブレーション

Rogers氏に、特定ガスごとにセンサーをキャリブレーションする必要があるか尋ねました。検知対象ガスによる、との回答でした。標準的な可燃性ガスの場合、工場でメタンを校正ガスとして使用します。「一度センサーにメタンを見せれば、水素、ブタン、プロパン用に別途キャリブレーションする必要はありません。直感的に他のすべてのガスも検知します。」つまり、水素専用センサーであっても、工場で水素を使ってキャリブレーションする必要はないのです。

用途

典型的な用途について尋ねました。「私たちはセンサーそのものです。検知器システムに接続される、あの小さなバケツ型デバイスです。例えば、今日精油所に行って壁を見渡せば、公益事業用電力計のようなデバイスが数十個取り付けられているのが見えるでしょう。」それらには複数のセンサーが接続されており、硫化水素センサー、酸素センサー、一酸化炭素センサー、MPSのような可燃性ガスセンサーなどが含まれている可能性があります。

建物に駆け込む消防士やその他の初動対応者は、通常「4ガスセンサー」と呼ばれるものを着用します。携帯電話サイズの小さなデバイスで、肩に装着し、MPSを含む4種類のガスセンサーを内蔵しています。

まとめ

Rogers氏によれば、MPSは30年以上で最も革新的なガス検知技術です。既存技術の欠点を克服し、急激な温度・湿度変化を含む広範な動作範囲で安定しており、一般的な可燃性ガス（水素を含む）に対して高精度です。さらに、MPSは複数または未知のガスが存在する環境でも使用でき、本質安全、堅牢、耐毒性を備えています。

本記事は、Sensor Technology編集長のEd Brown氏によって執筆されました。詳細については、こちらをご覧ください。