Détection multi-gaz MEMS de nouvelle génération

La détection des gaz est une fonction essentielle, mais la technologie n'a pas changé depuis des décennies. Ainsi, lorsque j'ai entendu parler d'un tout nouveau type de capteur de NevadaNano (Sparks, NV), j'ai décidé d'interviewer Ben Rogers, leur directeur de l'ingénierie.

Spectromètre de propriétés moléculaires

Ils appellent leur capteur, un appareil basé sur MEMS, le Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Le capteur de gaz inflammables MPS peut détecter et identifier les concentrations de 12 des gaz combustibles les plus courants, y compris l'hydrogène ; le capteur de gaz méthane MPS est conçu pour surveiller les fuites de méthane pour les industries pétrolières et gazières ; le capteur de gaz réfrigérant MPS détecte les réfrigérants légèrement inflammables à faible réchauffement climatique, tous basés sur la même technologie. Selon Rogers, leur capteur est beaucoup plus précis et fiable que le Pellistor traditionnel (capteur à perle catalytique) et le capteur infrarouge non dispersif (NDIR). La plupart des capteurs traditionnels ont un revêtement qui provoque une sorte de réaction chimique. Le problème est qu'avec le temps, les sites de détection qui permettent la réaction peuvent être détruits. Le MPS, cependant, est une surface inerte à base de silicium, qui ne nécessite aucune réaction chimique. Il se réchauffe, mesure les propriétés thermodynamiques de l'air, puis se refroidit à nouveau, de sorte qu'il peut durer 10 ans ou plus sans aucun étalonnage, selon Rogers.

Identifier un gaz

Le MPS est intégré dans un boîtier d'environ un pouce, comme le montre la figure 1. L'air à tester pénètre à travers le tamis à mailles en haut et empiète sur une microplaque chauffante suspendue et attachée, qui a le même diamètre qu'un cheveu humain - 100 microns de diamètre. La plaque chauffante peut être chauffée jusqu'à des centaines de degrés Celsius. La source de chaleur est un réchauffeur Joule, dans lequel un courant électrique est alimenté à travers un élément résistif comme indiqué dans l'encart de la figure 1. Le courant entre sur l'une des attaches, tourbillonne et sort sur cette trace. "Nous pouvons mesurer la résistance de la plaque chauffante, qui nous donne sa température et aussi la puissance qu'il a fallu pour atteindre cette température", a déclaré Rogers. La relation entre la température de la plaque et la puissance nécessaire pour atteindre cette température est fonction de la conductivité thermique de l'air. Lorsque l'air contient des gaz, ses propriétés thermiques changent. Par exemple, si du méthane est présent dans l'air et que la plaque chauffante est chauffée, étant donné que le méthane est plus conducteur thermiquement que l'air, il faut plus d'énergie pour maintenir la plaque chauffante à la bonne température qu'en l'absence de méthane.

Clé de ses propriétés uniques, le MPS est un dispositif MEMS, produit de la même manière que les puces en silicium :dans une fonderie; et comme il s'agit d'un dispositif MEMS, il nécessite très peu d'énergie pour fonctionner. "Il n'y a jamais eu de capteur de combustible avant qui puisse vous dire la classe de gaz que vous détectez. Lorsque nous effectuons une détection, nous fournissons également une classification. Par exemple, le capteur signale la concentration présente et qu'il s'agit d'hydrogène, ou d'un gaz moyen comme le pentane, ou d'un mélange d'hydrogène », a déclaré Rogers. « Les capteurs de gaz traditionnels n'ont jamais eu la capacité d'effectuer une classification. C'est ce qui nous rend si précis :parce que nous pouvons ajuster notre étalonnage pour n'importe quel gaz présent."

Concentration

L'unité de concentration qui compte est la limite inférieure d'explosivité (LIE), qui est la concentration la plus faible (en pourcentage de volume) d'un gaz dans l'air capable de produire un éclair de feu en présence d'une source d'inflammation. Étant donné que les utilisateurs veulent savoir à quel point ils sont proches de 50 % de la LIE, la capacité d'identifier quel gaz est présent est importante car la LIE de chaque gaz est différente.

La figure 2 montre des graphiques de concentration délivrée par rapport à la concentration rapportée. Il illustre l'un des problèmes majeurs des capteurs dans cet espace. Un capteur parfait vous indique exactement ce qui est signalé - il va jusqu'au milieu. Un capteur qui sur-rapporte la concentration déclenchera une alarme trop tôt, donnant un faux positif coûteux. La sous-déclaration donne un faux négatif, ce qui est dangereux. Idéalement, vous voudriez que la courbe soit au milieu. Comme on peut le voir sur le graphique de droite, la précision du capteur MPS est parfaite pour sept gaz différents.

Ce qui rend le MPS si précis, c'est que l'étalonnage est automatiquement ajusté en temps réel par le logiciel du capteur pour tout gaz présent.

MPS par rapport aux capteurs de gaz traditionnels

Un capteur NDIR est généralement calibré pour le méthane, de sorte que le graphique entre la livraison et le rapport pour le méthane est un à un (Figure 3, à gauche). Mais pour tous ces autres gaz que vous rencontrez généralement dans ces applications, il y aura beaucoup de sur-rapport – il sera très élevé. Et il est également sujet aux faux positifs lorsque l'humidité ou la température change relativement rapidement. Surtout, il ne voit pas du tout l'hydrogène, qui devient un gaz de plus en plus important à travers le monde pour de nombreuses applications.

La perle catalytique (cat bead) est l'autre capteur dans cet espace (Figure 3, à droite). Lorsque vous l'étalonnez sur le méthane, il est correct pour le méthane, mais si vous rencontrez l'un de ces autres gaz typiques de ces applications, il sera lu bas. De plus, avec le temps, la perle du chat, qui repose sur une réaction catalytique, s'empoisonne facilement. Si quelqu'un se trouve dans la même pièce que ce capteur et porte de la crème pour les mains, cela suffit à l'empoisonner pour qu'il ne fonctionne plus.

Ou si vous êtes pompier et que vous cirez le camion ce jour-là, tous les capteurs de votre bâtiment pourraient être empoisonnés. Ainsi, il nécessite un entretien fréquent et coûteux - vous devez le vérifier régulièrement - certains endroits les vérifient tous les jours ou tous les mois pour les empêcher de s'empoisonner.

« Comme le montre la figure 2, notre capteur suit également une trajectoire jusqu'au milieu, en termes de concentration délivrée par rapport à la concentration rapportée. Nous sommes très précis pour tous ces gaz, même si le MPS n'est calibré qu'en usine pour le méthane. Mais grâce à la façon dont nous interrogeons l'air, nous sommes en mesure de déterminer quel gaz est présent, ce qui est sans précédent », a déclaré Rogers.

Algorithmes

"Nous sommes bons à deux choses", a déclaré Rogers. "L'un est la construction du capteur de plaque chauffante, qui a nécessité des années de développement. Et deuxièmement, apprendre à parler à cette plaque chauffante. L'appareil de base est assez simple - juste une résistance chauffée et une mesure de température. La manière dont ces informations sont utilisées est essentielle au fonctionnement du capteur. Les données provenant de la plaque chauffante ainsi que les données provenant d'un capteur environnemental qui mesure la température, la pression et l'humidité sont utilisées pour obtenir les lectures. "Toutes les deux secondes, nous prenons les données de la plaque chauffante, nous prenons les données du capteur environnemental et nous exécutons un tas d'algorithmes qui nous ont pris 15 ans à développer et le résultat est :" c'est ce gaz, c'est cette concentration ", et c'est le truc », a déclaré Rogers.

En prenant les mêmes données mais en modifiant les algorithmes, NevadaNano a pu développer des dizaines de produits basés sur des modifications logicielles. Par exemple, il existe une nouvelle génération de réfrigérants à faible réchauffement climatique. Mais bon nombre de ces nouveaux fluides frigorigènes, utilisés dans les climatiseurs, les réfrigérateurs, etc., sont inflammables. Par conséquent, tous les climatiseurs résidentiels nécessiteront des capteurs d'inflammabilité pour éviter une condition dangereuse. Sur la base des propriétés thermodynamiques de ces molécules de réfrigérant, NevadaNano a pu proposer un produit adapté de manière unique à cette espèce particulière de gaz ou à plusieurs, simplement en modifiant le logiciel. Ainsi, en un mois environ, ils ont eu un nouveau produit Alpha et ont commencé à le sortir et à le montrer aux gens.

Étalonnage

J'ai demandé à Rogers s'ils avaient besoin d'étalonner chaque capteur pour un gaz particulier. Il a répondu que cela dépendait du gaz à détecter. Pour les gaz inflammables standard, ils utilisent le méthane comme gaz étalon en usine. "Une fois que nous avons montré le capteur de méthane, nous n'avons pas besoin de le calibrer sur l'hydrogène, le butane, le propane - il détecte intuitivement tous les autres gaz également." Ainsi, par exemple, ils n'ont pas nécessairement besoin d'utiliser de l'hydrogène en usine pour étalonner un capteur spécifique à l'hydrogène.

Applications

J'ai ensuite interrogé Rogers sur les applications typiques. «Nous ne sommes que le capteur – nous sommes ce petit appareil en forme de seau qui se branche sur un système de détection. Par exemple, si vous deviez vous rendre dans une raffinerie aujourd'hui et regarder autour de vous sur les murs, vous verriez plusieurs dizaines d'appareils qui ressemblent à des compteurs électriques. Plusieurs capteurs y sont branchés, y compris probablement un capteur de sulfure d'hydrogène, un capteur d'oxygène, un capteur de monoxyde de carbone et un capteur de gaz inflammable tel que le MPS.

Les pompiers et autres premiers intervenants entrant dans un bâtiment portent généralement ce qu'on appelle un capteur à quatre gaz - un petit appareil de la taille d'un téléphone portable qui repose en quelque sorte sur leur épaule et qui contient quatre capteurs de gaz, y compris un MPS.

Résumer

Selon Rogers, le MPS est la technologie de détection de gaz la plus innovante depuis plus de 30 ans. Il surmonte les lacunes des technologies existantes; il est stable sur de larges plages de fonctionnement, y compris les changements rapides de température et d'humidité ; il est exact pour une liste de gaz inflammables courants (y compris l'hydrogène). De plus, le MPS peut être utilisé dans des environnements contenant des gaz multiples ou inconnus et est intrinsèquement sûr, robuste et immunisé contre les empoisonnements.

Cet article a été rédigé par Ed Brown, rédacteur en chef de Sensor Technology. Pour plus d'informations, rendez-vous ici .