혁신적인 MEMS 멀티 가스 센서: 12가지 가연성 가스 정확 감지

가스 감지는 중요한 기능이지만 기술은 수십 년간 변하지 않았습니다. NevadaNano(미국 네바다주 스파크스)에서 새로운 유형의 센서가 나왔다는 소식을 듣고 엔지니어링 디렉터인 Ben Rogers를 인터뷰했습니다.

분자 특성 분광계

이들은 MEMS 기반 장치인 자사 센서를 분자 특성 분광계™(MPS™)라고 부릅니다.

MPS 가연성 가스 센서는 수소를 포함한 가장 일반적인 12가지 가연성 가스의 농도를 감지하고 식별할 수 있습니다. MPS 메탄 가스 센서는 석유 및 가스 산업의 메탄 누출 모니터링용으로 설계되었으며, MPS 냉매 가스 센서는 낮은 지구온난화지수를 가진 약하게 가연성인 냉매를 감지합니다. 이 모든 것이 동일한 기술을 기반으로 합니다. Rogers에 따르면 그들의 센서는 기존 펠리스터(촉매 비드 센서)와 비분산 적외선 센서(NDIR)보다 훨씬 더 정확하고 신뢰할 수 있습니다. 대부분의 기존 센서는 어떤 화학 반응을 유도하는 코팅을 가지고 있습니다. 문제는 시간이 지남에 따라 반응을 가능하게 하는 감지 부위가 망가질 수 있다는 것입니다. 그러나 MPS는 불활성 실리콘 기반 표면으로 화학 반응이 필요하지 않습니다. 가열하여 공기의 열역학적 특성을 측정한 후 다시 냉각하므로, Rogers에 따르면 10년 이상 캘리브레이션 없이 지속될 수 있습니다.

가스 식별

MPS는 [그림 1]과 같이 약 1인치 크기의 패키지에 내장되어 있습니다. 테스트할 공기는 상단의 메쉬 스크린을 통해 들어가 지름 100마이크론(사람 머리카락 굵기)의 현수된 테더 마이크로 핫플레이트에 부딪힙니다. 핫플레이트는 수백 도 섭씨까지 가열될 수 있습니다. 열원은 줄 히터로, 저항 소자를 통해 전류를 흘려보내는 방식입니다([그림 1] 인셋 참조). 전류는 테더 중 하나로 들어와 소용돌이치며 해당 트레이스로 나갑니다. "핫플레이트의 저항을 측정하면 온도와 그 온도에 도달하는 데 필요한 전력을 알 수 있습니다."라고 Rogers는 말합니다. 플레이트 온도와 도달하는 데 필요한 전력 사이의 관계는 공기의 열전도율의 함수입니다. 공기에 가스가 있으면 열적 특성이 변합니다. 예를 들어 공기 중에 메탄이 있고 핫플레이트가 가열되면, 메탄이 공기보다 열전도율이 높기 때문에 메탄이 없을 때보다 핫플레이트를 적정 온도로 유지하는 데 더 많은 전력이 필요합니다.

고유한 특성의 핵심은 MPS가 MEMS 장치로, 실리콘 칩과 유사하게 파운드리에서 생산된다는 점입니다. MEMS 장치이기 때문에 작동에 매우 적은 전력이 필요합니다. "감지한 가스의 종류를 알려주는 가연성 센서는 이전에 없었습니다. 감지할 때 분류도 함께 제공합니다. 예를 들어 센서는 존재하는 농도와 그것이 수소인지, 펜탄 같은 중간 가스인지, 수소 혼합물인지를 보고합니다."라고 Rogers는 말했습니다. "기존 가스 센서는 분류 능력이 전혀 없었습니다. 그게 우리가 정확한 이유입니다: 어떤 가스가 있는지에 따라 캘리브레이션을 조정할 수 있기 때문입니다."

농도

중요한 농도 단위는 하한 폭발 한계(LEL)입니다. 이는 점화원이 있는 상태에서 공기 중 가스의 최저 농도(부피 백분율)로 섬광을 일으킬 수 있는 수준입니다. 사용자는 LEL의 50%에 얼마나 가까운지 알고 싶어 하므로, 어떤 가스가 있는지 식별하는 능력이 중요합니다. 각 가스마다 LEL이 다르기 때문입니다.

[그림 2]는 전달된 농도 대비 보고된 농도의 플롯을 보여줍니다. 이는 이 분야 센서의 주요 문제 중 하나를 보여줍니다. 완벽한 센서는 정확히 보고된 값을 알려줍니다. 즉, 그래프가 정중앙으로 올라갑니다. 농도를 과대 보고하는 센서는 너무 일찍 경보를 울려 비용이 많이 드는 위양성을 초래합니다. 과소 보고는 위험한 위음성을 줍니다. 이상적으로는 곡선이 정중앙에 있어야 합니다. 오른쪽 플롯에서 볼 수 있듯이 MPS 센서의 정확도는 7가지 가스에 대해 정확히 맞습니다.

MPS가 이토록 정확한 이유는 센서 소프트웨어가 캘리브레이션을 실시간으로 자동 조정하여 존재하는 가스에 맞춰주기 때문입니다.

MPS vs 기존 가스 센서

[그림 3]은 비교를 보여줍니다. NDIR 센서는 일반적으로 메탄에 캘리브레이션되므로 메탄에 대한 전달 대 보고 그래프는 1:1입니다(그림 3 왼쪽). 하지만 이 응용 분야에서 일반적으로 접하는 다른 모든 가스에 대해서는 훨씬 과대 보고합니다. 즉, 너무 높게 읽습니다. 또한 습도나 온도가 상대적으로 빠르게 변할 때 위양성이 발생하기 쉽습니다. 중요한 점은 수소를 전혀 감지하지 못한다는 것입니다. 수소는 전 세계적으로 많은 응용 분야에서 점점 더 중요한 가스가 되고 있습니다.

촉매 비드(cat bead)는 이 분야의 또 다른 센서입니다(그림 3 오른쪽). 메탄에 캘리브레이션하면 메탄에는 정확하지만, 이 응용 분야에서 일반적인 다른 가스를 만나면 낮게 읽습니다. 게다가 촉매 비드는 촉매 반응에 의존하기 때문에 시간이 지남에 따라 쉽게 중독됩니다. 누군가가 핸드크림을 바르고 이 센서와 같은 방에 있는 것만으로도 중독되어 작동하지 않게 될 수 있습니다.

또는 소방관이 그날 트럭에 왁스를 칠했다면, 건물의 모든 센서가 중독될 수 있습니다. 따라서 빈번하고 비용이 많이 드는 서비스가 필요합니다. 정기적으로 점검해야 하는데, 일부 장소에서는 매일 또는 매월 점검하여 중독을 방지합니다.

"[그림 2]에서 보듯 우리 센서도 전달 대비 보고 농도 측면에서 정중앙 궤적을 따릅니다. MPS는 공장에서 메탄에만 캘리브레이션되지만, 공기를 조사하는 방식 덕분에 어떤 가스가 있는지 판단할 수 있어 이 모든 가스에 대해 높은 정확도를 보입니다. 이는 전례 없는 일입니다."라고 Rogers는 말했습니다.

알고리즘

"우리는 두 가지를 잘합니다."라고 Rogers는 말했습니다. "하나는 핫플레이트 센서를 만드는 것인데, 수년간의 개발이 걸렸습니다. 둘은 그 핫플레이트와 대화하는 법을 배우는 것입니다." 기본 장치는 매우 단순합니다. 가열된 저항과 온도 측정뿐입니다. 그 정보를 어떻게 사용하는지가 센서 작동의 핵심입니다. 핫플레이트에서 나오는 데이터와 온도, 압력, 습도를 측정하는 환경 센서에서 나오는 데이터를 사용하여 판독값을 얻습니다. "2초마다 핫플레이트 데이터, 환경 센서 데이터를 가져와 15년 동안 개발한 알고리즘을 실행하면 '이 가스다, 이 농도다'라는 결과가 나옵니다. 그게 비결입니다."라고 Rogers는 말했습니다.

같은 데이터를 사용하지만 알고리즘을 변경함으로써 NevadaNano는 소프트웨어 변경만으로 수십 개의 제품을 개발할 수 있었습니다. 예를 들어, 지구온난화지수가 낮은 새로운 냉매가 있습니다. 하지만 이 새로운 냉매들 중 다수는 에어컨과 냉장고 등에 사용되며 가연성입니다. 따라서 모든 가정용 에어컨은 안전하지 않은 상태를 방지하기 위해 가연성 센서를 필요로 하게 될 것입니다. 해당 냉매 분자들의 열역학적 특성을 기반으로 NevadaNano는 해당 특정 가스 종 또는 다중 가스에 독특하게 적합한 제품을 소프트웨어 변경만으로 약 한 달 만에 알파 제품으로 내놓고 시연하기 시작했습니다.

캘리브레이션

각 센서를 특정 가스에 대해 캘리브레이션해야 하는지 Rogers에게 물었습니다. 그는 감지해야 할 가스에 따라 다르다고 답했습니다. 표준 가연성 가스의 경우 공장에서 메탄을 캘리브런트 가스로 사용합니다. "한 번 센서에 메탄을 보여주면, 수소, 부탄, 프로판 등에 다시 캘리브레이션할 필요가 없습니다. 다른 모든 가스도 직관적으로 감지합니다." 따라서 예를 들어 공장에서 수소를 사용하여 수소 전용 센서를 캘리브레이션할 필요가 반드시 있는 것은 아닙니다.

응용 분야

그러면 일반적인 응용 분야에 대해 Rogers에게 물었습니다. "우리는 센서일 뿐입니다. 탐지기 시스템에 꽂히는 작은 버킷 모양의 장치죠. 예를 들어 오늘날 정유소에 가서 벽을 둘러보면 유틸리티 전력계처럼 생긴 수십 개의 장치를 볼 수 있습니다." 이 장치들에는 여러 센서가 꽂혀 있으며, 황화수소 센서, 산소 센서, 일산화탄소 센서, MPS 같은 가연성 가스 센서가 포함될 가능성이 높습니다.

소방관이나 기타 최초 대응자가 건물에 진입할 때 일반적으로 4가스 센서를 착용합니다. 어깨에 걸리는 휴대폰 크기의 장치로, MPS를 포함한 4개의 가스 센서가 들어 있습니다.

요약

Rogers에 따르면 MPS는 30년 이상 가스 감지 분야에서 가장 혁신적인 기술입니다. 기존 기술의 단점을 극복했으며, 급격한 온도 및 습도 변화를 포함한 광범위한 작동 범위에서 안정적입니다. 수소를 포함한 일반적인 가연성 가스 목록에 대해 정확합니다. 또한 MPS는 다중 또는 미지의 가스가 존재하는 환경에서 사용할 수 있으며, 본질적으로 안전하고 견고하며 중독에 면역입니다.

이 기사는 Sensor Technology 편집장 Ed Brown이 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.