차세대 MEMS 다중 가스 감지

가스 감지는 중요한 기능이지만 기술은 수십 년 동안 변하지 않았습니다. 그래서 NevadaNano(Sparks, NV)에서 새로운 유형의 센서에 대해 들었을 때 엔지니어링 이사인 Ben Rogers를 인터뷰하기로 결정했습니다.

분자 특성 분석기

그들은 MEMS 기반 장치인 센서를 MPS™(Molecular Property Spectrometer™)라고 부릅니다.

MPS 가연성 가스 센서는 수소를 포함하여 가장 일반적인 가연성 가스의 12가지 농도를 감지하고 식별할 수 있습니다. MPS 메탄 가스 센서는 석유 및 가스 산업의 메탄 누출을 모니터링하도록 설계되었습니다. MPS 냉매 가스 센서는 동일한 기술을 기반으로 하는 약한 가연성 낮은 지구 온난화 냉매를 감지합니다. Rogers에 따르면 이 센서는 기존의 Pellistor(촉매 비드 센서) 및 NDIR(비분산 적외선 센서)보다 훨씬 정확하고 신뢰할 수 있습니다. 대부분의 기존 센서에는 일종의 화학 반응을 일으키는 코팅이 있습니다. 문제는 시간이 지남에 따라 반응을 가능하게 하는 감지 사이트가 망가질 수 있다는 것입니다. 그러나 MPS는 화학 반응이 필요하지 않은 불활성 실리콘 기반 표면입니다. Rogers에 따르면 가열되고 공기의 열역학적 특성을 측정한 다음 다시 냉각되므로 보정 없이도 10년 이상 지속될 수 있습니다.

가스 식별

MPS는 그림 1과 같이 약 1인치 크기의 패키지에 내장되어 있습니다. 테스트할 공기가 상단의 메쉬 스크린을 통해 들어가고 사람 머리카락과 동일한 직경의 매달린 끈으로 묶인 마이크로 핫플레이트에 충돌합니다. 가로 100미크론. 열판은 섭씨 수백도까지 가열될 수 있습니다. 열의 소스는 그림 1의 삽입된 그림과 같이 저항 요소를 통해 전류가 공급되는 줄 히터입니다. 전류는 테더 중 하나에 들어오고 주위를 소용돌이치며 해당 트레이스로 나옵니다. Rogers는 "열판의 저항을 측정할 수 있어 온도와 해당 온도에 도달하는 데 필요한 전력을 알 수 있습니다."라고 말했습니다. 판의 온도와 그 온도에 도달하는 데 필요한 전력 사이의 관계는 공기의 열전도율의 함수입니다. 공기에 가스가 있으면 열 특성이 바뀝니다. 예를 들어, 메탄이 공기 중에 존재하고 핫플레이트가 가열되면 메탄은 공기보다 열전도율이 높기 때문에 메탄이 ​​없을 때보다 핫플레이트를 적절한 온도로 유지하는 데 더 많은 전력이 필요합니다.

MPS는 고유한 특성의 핵심으로 실리콘 칩과 유사하게 생산되는 MEMS 장치입니다. MEMS 장치이기 때문에 작동하는 데 전력이 거의 필요하지 않습니다. “지금까지 감지하고 있는 가스의 종류를 알려주는 가연성 센서는 없었습니다. 탐지할 때 분류도 제공합니다. 예를 들어, 센서는 존재하는 농도를 보고하고 그것이 수소, 펜탄과 같은 중간 가스 또는 수소 혼합물임을 알려줍니다.”라고 Rogers가 말했습니다. “기존 가스 센서에는 분류 기능이 없었습니다. 그것이 바로 우리가 정확한 이유입니다. 어떤 가스가 있든 보정을 조정할 수 있기 때문입니다."

집중

중요한 농도 단위는 LEL(폭발 하한선)이며, 이는 발화원이 있을 때 불꽃을 일으킬 수 있는 공기 중 가스의 가장 낮은 농도(부피 백분율)입니다. 사용자는 자신이 LEL의 50%에 얼마나 가까운지 알고 싶어하므로 각 가스의 LEL이 다르기 때문에 어떤 가스가 존재하는지 식별하는 기능이 중요합니다.

그림 2는 전달된 농도 대 보고된 농도의 플롯을 보여줍니다. 이 공간에서 센서의 주요 문제 중 하나를 보여줍니다. 완벽한 센서는 보고된 내용을 정확히 알려줍니다. 농도를 과도하게 보고하는 센서는 너무 일찍 경보를 트리거하여 값비싼 가양성을 제공합니다. 과소 보고하면 위음성이 나타나 위험합니다. 이상적으로는 곡선이 중앙 바로 위에 있기를 원할 것입니다. 오른쪽 플롯에서 볼 수 있듯이 MPS 센서의 정확도는 7가지 다른 가스에 대해 돈이 아깝지 않습니다.

MPS가 그렇게 정확한 이유는 존재하는 가스에 대해 센서 소프트웨어에 의해 실시간으로 보정이 자동으로 조정된다는 것입니다.

MPS 대 기존 가스 센서

NDIR 센서는 일반적으로 메탄으로 보정되므로 메탄에 대해 전달된 대 보고된 그래프는 일대일입니다( 그림 3, 왼쪽). 그러나 이러한 응용 프로그램에서 일반적으로 접하게 되는 다른 모든 가스의 경우 훨씬 과도하게 보고됩니다. 또한 습도나 온도가 상대적으로 빠르게 변할 때 가양성(false positive)이 되기 쉽습니다. 중요한 것은 수소가 전혀 보이지 않는다는 것입니다. 수소는 많은 응용 분야에서 전 세계적으로 점점 더 중요한 가스가 되고 있습니다.

촉매 비드(cat bead)는 이 공간의 다른 센서입니다( 그림 3, 오른쪽). 이를 메탄으로 보정하면 메탄에 대해 정확하지만 이러한 응용 분야에서 일반적으로 나타나는 다른 가스를 만나면 낮은 값이 표시됩니다. 게다가 시간이 지남에 따라 촉매 반응에 의존하는 고양이 구슬은 쉽게 중독됩니다. 누군가가 핸드크림을 바르고 이 센서와 같은 방에 있으면 더 이상 작동하지 않도록 독을 넣기에 충분합니다.

또는 당신이 소방관이고 그날 트럭에 왁스를 바르면 건물의 모든 센서가 중독될 수 있습니다. 따라서 자주 점검해야 하고 비용이 많이 드는 서비스가 필요합니다. 정기적으로 점검해야 합니다. 일부 장소에서는 매일 또는 매달 점검하여 중독되지 않도록 합니다.

“그림 2에서 볼 수 있듯이, 우리 센서는 전달된 농도와 보고된 농도의 관점에서 중간 바로 위의 궤적을 따릅니다. MPS는 공장에서 메탄에 대해서만 보정되지만 우리는 이러한 모든 가스에 대해 매우 정확합니다. 그러나 우리가 공기를 조사하는 방법 때문에 실제로 어떤 가스가 존재하는지 확인할 수 있습니다. 이는 전례가 없는 일입니다.”라고 Rogers가 말했습니다.

알고리즘

Rogers는 "우리는 두 가지를 잘합니다. “하나는 개발에 수년이 걸린 핫플레이트 센서를 구축하는 것입니다. 그리고 두 번째, 핫플레이트와 대화하는 방법을 배우는 것입니다.” 기본 장치는 매우 간단합니다. 가열된 저항과 온도 측정만 있으면 됩니다. 해당 정보가 사용되는 방식이 센서 기능의 핵심입니다. 온도, 압력 및 습도를 측정하는 환경 센서의 데이터와 함께 핫플레이트의 데이터를 사용하여 판독값을 얻습니다. "2초마다 핫플레이트에서 데이터를 가져오고 환경 센서에서 데이터를 가져오고 개발하는 데 15년이 걸린 일련의 알고리즘을 실행합니다. 그것이 트릭입니다.”라고 Rogers가 말했습니다.

동일한 데이터를 사용하지만 알고리즘을 변경함으로써 NevadaNano는 소프트웨어 변경을 기반으로 하는 수십 가지 제품을 개발할 수 있었습니다. 예를 들어 지구 온난화가 적은 새로운 종류의 냉매가 있습니다. 그러나 공조 장치와 냉장고 등에 사용되는 이러한 새로운 냉매의 대부분은 가연성입니다. 따라서 모든 주거용 에어컨에는 불안전한 상태를 방지하기 위해 가연성 센서가 필요합니다. 이러한 냉매 분자의 열역학적 특성을 기반으로 NevadaNano는 소프트웨어 변경만으로 특정 가스 종 또는 다중 가스에 고유하게 적합한 제품을 만들 수 있었습니다. 그래서 약 한 달 만에 새로운 Alpha 제품을 출시하여 사람들에게 선보이기 시작했습니다.

보정

나는 Rogers에게 특정 가스에 대해 각 센서를 보정해야 하는지 물었습니다. 그는 어떤 가스를 감지해야 하는지에 달려 있다고 대답했습니다. 표준 가연성 가스의 경우 공장에서 교정 가스로 메탄을 사용합니다. "센서에 메탄을 표시하면 수소, 부탄, 프로판으로 보정할 필요가 없습니다. 직관적으로 다른 모든 가스도 감지합니다." 따라서 예를 들어 수소 관련 센서를 보정하기 위해 공장에서 반드시 수소를 사용할 필요는 없습니다.

응용 프로그램

그런 다음 Rogers에게 일반적인 응용 프로그램에 대해 물었습니다. “우리는 단지 센서일 뿐입니다. 우리는 감지기 시스템에 연결되는 작은 양동이 모양의 장치입니다. 예를 들어, 오늘 정유 공장에 가서 벽을 둘러보면 유틸리티 전력계처럼 보이는 수십 개의 장치를 보게 될 것입니다.” 그들은 아마도 황화수소 센서, 산소 센서, 일산화탄소 센서 및 MPS와 같은 가연성 가스 센서를 포함하여 여러 센서가 연결되어 있습니다.

건물로 달려가는 소방관과 기타 응급 구조원은 일반적으로 4개 가스 센서라고 하는 것을 착용합니다. 휴대전화 크기의 작은 기기로 어깨에 메고 MPS를 포함하여 It에 4개의 가스 센서가 있습니다.

요약

Rogers에 따르면 MPS는 30년 넘게 가스 감지를 위한 가장 혁신적인 기술입니다. 기존 기술의 단점을 극복합니다. 급격한 온도 및 습도 변화를 포함한 광범위한 작동 범위에서 안정적입니다. 일반적인 가연성 가스(수소 포함) 목록에 대해 정확합니다. 또한 MPS는 다중 또는 미지의 가스가 존재하는 환경에 사용할 수 있으며 본질적으로 안전하고 견고하며 중독에 면역입니다.

이 기사는 Sensor Technology의 편집자인 Ed Brown이 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .