二流

ガスの感知は重要な機能ですが、その技術は数十年にわたって変わっていません。 そこで、NevadaNano (ネバダ州スパークス) のまったく新しいタイプのセンサーについて聞いたとき、同社のエンジニアリング ディレクターである Ben Rogers にインタビューすることにしました。

彼らは、MEMS ベースのデバイスであるセンサーを 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 12 種類の最も一般的な可燃性ガスの濃度を検出および識別できます。 MPS メタンガスセンサーは、石油およびガス産業向けのメタン漏れを監視するように設計されています。 MPS 冷媒ガス センサーは、軽度の可燃性の低地球温暖化冷媒を検出します。これらはすべて同じテクノロジーに基づいています。 Rogers 氏によると、同社のセンサーは従来のペリスター (触媒ビーズ センサー) や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。 従来のセンサーのほとんどには、ある種の化学反応を引き起こすコーティングが施されています。 問題は、時間の経過とともに、反応を可能にする感知部位が破壊される可能性があることです。 ただし、MPS は不活性なシリコンベースの表面であり、化学反応を必要としません。 ロジャース氏によると、加熱して空気の熱力学特性を測定し、その後再び冷却するため、校正なしで 10 年以上使用できるという。

図 1 に示すように、MPS は約インチ サイズのパッケージに組み込まれています。テスト対象の空気は上部のメッシュ スクリーンを通って入り、吊り下げられ、つながれたマイクロ ホットプレートに衝突します。このマイクロ ホットプレートは人間の髪の毛と同じ直径です。直径100ミクロン。 ホットプレートは摂氏数百度まで加熱されることがあります。 熱源はジュール ヒーターで、図 1 の挿入図に示すように、抵抗素子を介して電流が供給されます。電流はテザーの 1 つに入り、渦を巻いてそ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、その温度に到達するのに必要な電力がわかります」とロジャーズ氏は言います。 プレートの温度とその温度に到達するために必要な電力との関係は、空気の熱伝導率の関数です。 空気にガスが含まれると、その熱特性が変化します。 たとえば、空気中にメタンが存在し、ホットプレートが加熱される場合、メタンは空気よりも熱伝導率が高いため、ホットプレートを適切な温度に保つためには、メタンが存在しない場合よりも多くの電力が必要になります。

そのユニークな特性の鍵となる MPS は、シリコン チップと同様に鋳造工場で製造される MEMS デバイスです。 また、MEMS デバイスであるため、動作に必要な電力はほとんどありません。 「これまで、検知しているガスの種類を知らせることができる可燃性センサーはありませんでした。 検出を行う際には、分類も提供します。 たとえば、センサーは存在する濃度を報告し、それが水素、ペンタンなどの媒体ガス、または水素混合物であることを報告します」とロジャース氏は述べています。 「従来のガスセンサーには分類する機能がありませんでした。 それが私たちの精度の高さの理由です。なぜなら、そこに存在するどんなガスに対しても校正を調整できるからです。」

重要な濃度の単位は爆発下限 (LEL) です。これは、発火源の存在下で閃光を発生させることができる空気中のガスの最低濃度 (体積パーセントによる) です。 ユーザーは LEL の 50% にどの程度近づいているかを知りたいので、各ガスの LEL は異なるため、どのガスが存在するかを識別する機能が重要です。

図 2 は、供給された濃度と報告された濃度のプロットを示しています。 これは、この分野のセンサーに関する主要な問題の 1 つを示しています。 完璧なセンサーは、報告された内容を正確に伝えます。それはちょうど真ん中にあります。 濃度を過剰に報告するセンサーはアラームをトリガーするのが早すぎて、コストのかかる誤検知を引き起こします。 過少報告は偽陰性をもたらし、危険です。 理想的には、曲線がちょうど真ん中になるようにする必要があります。 右側のプロットに見られるように、MPS センサーの精度は 7 つの異なるガスに対して適切です。