Capteur MEMS multi-gaz révolutionnaire : détection précise de 12 gaz combustibles

Spectromètre de propriétés moléculaires (MPS)

La détection de gaz est une fonction critique mais la technologie n'a pas changé depuis des décennies. 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.

Ils appellent leur capteur, un dispositif basé sur MEMS, le Spectromètre de Propriétés Moléculaires™ (MPS™). Le capteur de gaz inflammable MPS peut détecter et identifier les concentrations de 12 des gaz combustibles les plus courants, dont l'hydrogène ; le capteur de méthane MPS surveille les fuites de méthane pour l'industrie pétrolière et gazière ; le capteur de gaz réfrigérant MPS détecte les réfrigérants légèrement inflammables à faible potentiel de réchauffement global — tous basés sur la même technologie. Selon Rogers, leur capteur est bien plus précis et fiable que les capteurs Pellistor traditionnels (capteur à bille catalytique) et les capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR). La plupart des capteurs traditionnels ont un revêtement qui déclenche une réaction chimique. Le problème : les sites de détection permettant la réaction peuvent se dégrader avec le temps. Le MPS, en revanche, possède une surface inerte à base de silicium, ne nécessitant aucune réaction chimique. Il chauffe, mesure les propriétés thermodynamiques de l'air, puis refroidit — ce qui lui permet de durer 10 ans ou plus sans étalonnage, selon Rogers.

Identification d'un gaz

Le MPS est intégré dans un boîtier d'environ 2,5 cm. L'air à tester entre par un tamis supérieur et frappe une micro-plaque chaude suspendue et attachée, du diamètre d'un cheveu humain — 100 microns. La plaque peut être chauffée à plusieurs centaines de degrés Celsius. La source de chaleur est un effet Joule : un courant électrique traverse un élément résistif. « Nous mesurons la résistance de la plaque chaude, ce qui nous donne sa température et la puissance nécessaire pour l'atteindre », explique Rogers. La relation entre la température de la plaque et la puissance requise dépend de la conductivité thermique de l'air. Lorsque des gaz sont présents, les propriétés thermiques changent. Par exemple, si du méthane est présent et que la plaque est chauffée, le méthane étant plus conducteur thermiquement que l'air, il faut plus de puissance pour maintenir la plaque à la bonne température.

Clé de ses propriétés uniques, le MPS est un dispositif MEMS, produit comme des puces de silicium en fonderie, et nécessite très peu d'énergie. « Il n'y a jamais eu de capteur de gaz combustible capable de vous dire la classe de gaz détectée. Quand nous détectons, nous fournissons aussi une classification : concentration présente et type — hydrogène, gaz moyen comme le pentane, ou mélange d'hydrogène. Les capteurs traditionnels n'ont jamais eu cette capacité de classification. C'est ce qui nous rend si précis : nous ajustons notre étalonnage pour le gaz présent. »

Concentration

L'unité de concentration qui importe est la Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) — la plus faible concentration (en % volume) d'un gaz dans l'air capable de produire une flamme en présence d'une source d'inflammation. Les utilisateurs veulent savoir à quel point ils sont proches de 50 % de la LIE. La capacité à identifier le gaz présent est cruciale car la LIE diffère pour chaque gaz.

La figure 2 montre des tracés de concentration délivrée vs rapportée, illustrant un problème majeur des capteurs dans ce domaine. Un capteur parfait suit la diagonale. Un capteur qui sur-rapporte déclenche une alarme trop tôt (faux positif coûteux). Sous-rapporter donne un faux négatif, ce qui est dangereux. Le graphique de droite montre que la précision du capteur MPS est excellente pour sept gaz différents.

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

MPS vs capteurs traditionnels

Un capteur NDIR est généralement étalonné au méthane, donc le graphique délivré vs rapporté pour le méthane est 1:1. Mais pour tous les autres gaz typiques, il sur-rapporte largement — il lit trop haut. Il est aussi sujet aux faux positifs lors de changements rapides d'humidité ou température. Surtout, il ne détecte pas l'hydrogène, gaz de plus en plus important mondialement.

La bille catalytique (cat bead) est l'autre capteur de ce domaine. Étalonnée au méthane, elle est correcte pour le méthane, mais pour les autres gaz typiques, elle sous-rapporte. De plus, avec le temps, la bille catalytique, qui repose sur une réaction catalytique, s'empoisonne facilement. Quelqu'un portant de la crème pour les mains dans la même pièce suffit à l'empoisonner. Si vous êtes pompier et cirez le camion ce jour-là, tous les capteurs du bâtiment pourraient être empoisonnés. Cela nécessite une maintenance fréquente et coûteuse — certains vérifient quotidiennement ou mensuellement.

« Comme le montre la figure 2, notre capteur suit aussi une trajectoire au milieu, en termes de concentration délivrée vs rapportée. Nous sommes hautement précis pour tous ces gaz, bien que le MPS ne soit étalonné en usine qu'au méthane. Mais grâce à notre méthode d'interrogation de l'air, nous déterminons quel gaz est présent, ce qui est sans précédent », dit Rogers.

Algorithmes

« Nous excellons en deux choses », dit Rogers. « Construire le capteur à plaque chaude, qui a pris des années de développement. Et apprendre à dialoguer avec cette plaque. » Le dispositif de base est simple — juste une résistance chauffée et une mesure de température. Comment ces informations sont utilisées est clé. Les données de la plaque chaude, combinées à celles d'un capteur environnemental mesurant température, pression et humidité, permettent d'obtenir les lectures. « Toutes les deux secondes, nous prenons les données de la plaque chaude, celles du capteur environnemental, et exécutons des algorithmes développés sur 15 ans. Résultat : "c'est ce gaz, c'est cette concentration" — c'est le secret. »

En utilisant les mêmes données mais en changeant les algorithmes, NevadaNano a développé des dizaines de produits basés sur des changements logiciels. Par exemple, une nouvelle génération de réfrigérants à faible réchauffement global, mais inflammables, impose des capteurs de combustibilité dans tous les climatiseurs résidentiels. Basé sur les propriétés thermodynamiques de ces molécules, NevadaNano a créé un produit adapté en un mois environ.

Étalonnage

Interrogé sur la nécessité d'étalonner chaque capteur pour un gaz particulier, Rogers répond que cela dépend du gaz à détecter. Pour les gaz inflammables standards, ils utilisent le méthane comme gaz d'étalonnage en usine. « Une fois que nous avons montré le méthane au capteur, nous n'avons pas besoin de l'étalonner à l'hydrogène, butane, propane — il perçoit intuitivement tous les autres gaz. » Donc, pour un capteur spécifique à l'hydrogène, ils n'ont pas nécessairement besoin d'utiliser l'hydrogène en usine.

Applications

Interrogé sur les applications typiques : « Nous ne sommes que le capteur — ce petit dispositif en forme de seau qui se branche dans un système de détection. Dans une raffinerie aujourd'hui, on voit des dizaines de dispositifs ressemblant à des compteurs électriques sur les murs, avec de multiples capteurs branchés : sulfure d'hydrogène, oxygène, monoxyde de carbone, et un capteur de gaz inflammable comme le MPS. »

Les pompiers et premiers intervenants portent généralement un « capteur quatre gaz » — un dispositif de la taille d'un téléphone portable sur l'épaule avec quatre capteurs dont un MPS.

En résumé

Selon Rogers, le MPS est la technologie la plus innovante pour la détection de gaz depuis plus de 30 ans. Elle surmonte les lacunes des technologies existantes ; elle est stable sur de larges plages de fonctionnement, y compris changements rapides de température et humidité ; elle est précise pour une liste de gaz inflammables courants (dont l'hydrogène). De plus, le MPS fonctionne dans des environnements à gaz multiples ou inconnus, est intrinsèquement sûr, robuste et immunisé contre l'empoisonnement.

Cet article a été rédigé par Ed Brown, rédacteur en chef de Sensor Technology. Pour plus d'informations, visitez le site web.