Sensing Multi-Gas MEMS Generasi Berikutnya

Penginderaan gas adalah fungsi penting tetapi teknologinya tidak berubah dalam beberapa dekade. Jadi, ketika saya mendengar tentang jenis sensor baru dari NevadaNano (Sparks, NV), saya memutuskan untuk mewawancarai Ben Rogers, Direktur Teknik mereka.

Spektrometer Sifat Molekuler

Mereka menyebut sensor mereka, perangkat berbasis MEMS, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Sensor Gas Mudah Terbakar MPS dapat mendeteksi dan mengidentifikasi konsentrasi 12 gas mudah terbakar yang paling umum, termasuk hidrogen; Sensor Gas Metana MPS dirancang untuk memantau kebocoran metana untuk industri minyak dan gas; Sensor Gas Refrigerant MPS mendeteksi refrigeran pemanasan global rendah yang mudah terbakar—semuanya didasarkan pada teknologi yang sama. Menurut Rogers, sensor mereka jauh lebih akurat dan andal daripada Pellistor tradisional (sensor manik-manik katalitik) dan Sensor Inframerah Nondispersif (NDIR). Kebanyakan sensor tradisional memiliki lapisan yang menggairahkan semacam reaksi kimia. Masalahnya adalah bahwa seiring waktu, situs penginderaan yang memungkinkan reaksi dapat dihancurkan. MPS, bagaimanapun, adalah permukaan berbasis silikon lembam, yang tidak memerlukan reaksi kimia apa pun. Ini memanas, mengukur sifat termodinamika udara, dan kemudian mendingin kembali, sehingga dapat bertahan selama 10 tahun atau lebih tanpa kalibrasi, menurut Rogers.

Mengidentifikasi Gas

MPS dibangun ke dalam paket berukuran sekitar inci, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Udara yang akan diuji masuk melalui saringan mesh di bagian atas dan mengenai hotplate mikro yang ditambatkan dan ditangguhkan, yang diameternya sama dengan rambut manusia — 100 mikron. Hotplate dapat dipanaskan hingga ratusan derajat Celcius. Sumber panas adalah pemanas Joule, di mana arus listrik diumpankan melalui elemen resistif seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 1. Arus masuk pada salah satu tambatan, berputar dan keluar pada jejak itu. “Kita dapat mengukur resistansi hotplate, yang memberi kita suhu dan juga kekuatan yang dibutuhkan untuk mencapai suhu itu,” kata Rogers. Hubungan antara suhu pelat dan daya yang dibutuhkan untuk mencapai suhu tersebut merupakan fungsi dari konduktivitas termal udara. Ketika udara memiliki gas di dalamnya, sifat termalnya berubah. Misalnya, jika metana ada di udara dan hotplate dipanaskan, karena metana lebih konduktif secara termal daripada udara, dibutuhkan lebih banyak daya untuk menjaga hotplate pada suhu yang tepat daripada saat tidak ada metana.

Kunci dari sifat uniknya, MPS adalah perangkat MEMS, diproduksi mirip dengan chip silikon:dalam pengecoran; dan karena ini adalah perangkat MEMS, ia membutuhkan daya yang sangat kecil untuk beroperasi. “Belum pernah ada sensor yang mudah terbakar sebelumnya yang dapat memberi tahu Anda kelas gas yang Anda deteksi. Saat kami melakukan deteksi, kami juga memberikan klasifikasi. Misalnya, sensor melaporkan konsentrasi yang ada dan itu adalah hidrogen, atau gas sedang seperti pentana, atau campuran hidrogen, ”kata Rogers. “Sensor gas tradisional tidak pernah memiliki kemampuan untuk melakukan klasifikasi. Itulah yang membuat kami sangat akurat:karena kami dapat menyesuaikan kalibrasi kami untuk gas apa pun yang ada.”

Konsentrasi

Satuan konsentrasi yang penting adalah Lower Explosive Limit (LEL), yang merupakan konsentrasi terendah (berdasarkan persentase volume) gas di udara yang mampu menghasilkan kilatan api di hadapan sumber pengapian. Karena pengguna ingin mengetahui seberapa dekat mereka dengan 50% LEL, kemampuan untuk mengidentifikasi gas mana yang ada menjadi penting karena LEL untuk setiap gas berbeda.

Gambar 2 menunjukkan plot konsentrasi yang diberikan vs konsentrasi yang dilaporkan. Ini menggambarkan salah satu masalah utama dengan sensor di ruang ini. Sensor yang sempurna memberi tahu Anda dengan tepat apa yang dilaporkan — sensor ini berada tepat di tengah. Sensor yang melaporkan konsentrasi secara berlebihan akan memicu alarm terlalu dini, memberikan hasil positif palsu yang mahal. Kurangnya pelaporan memberikan negatif palsu, yang berbahaya. Idealnya Anda ingin kurva berada tepat di tengah. Seperti yang dapat dilihat di plot sebelah kanan, akurasi sensor MPS sangat tepat untuk tujuh jenis gas yang berbeda.

Apa yang membuat MPS begitu akurat adalah kalibrasi secara otomatis disesuaikan secara real time oleh perangkat lunak sensor untuk gas apa pun yang ada.

MPS vs Sensor Gas Tradisional

Sensor NDIR biasanya dikalibrasi ke metana, jadi grafik yang dikirim vs yang dilaporkan untuk metana adalah satu banding satu ( Gambar 3, kiri). Tetapi untuk semua gas lain yang biasanya Anda temui dalam aplikasi ini, laporannya akan jauh berlebihan — itu akan terbaca sangat tinggi. Dan itu juga rentan terhadap kesalahan positif ketika kelembaban atau suhu berubah relatif cepat. Yang penting, ia tidak melihat hidrogen sama sekali, yang menjadi gas yang semakin penting di seluruh dunia untuk banyak aplikasi.

Manik katalitik (manik kucing) adalah sensor lain di ruang ini ( Gambar 3, kanan). Saat Anda mengkalibrasinya ke metana, itu benar untuk metana, tetapi jika Anda menemukan salah satu dari gas lain yang khas dalam aplikasi ini, itu akan terbaca rendah. Selanjutnya, seiring waktu, manik-manik kucing, yang bergantung pada reaksi katalitik, mudah diracuni. Jika seseorang berada di ruangan yang sama dengan sensor ini memakai krim tangan, itu cukup untuk meracuni sehingga tidak berfungsi lagi.

Atau jika Anda seorang petugas pemadam kebakaran dan Anda wax truk hari itu, semua sensor di gedung Anda mungkin diracuni. Jadi, memerlukan servis yang sering dan mahal — Anda harus memeriksanya secara teratur — beberapa tempat memeriksanya setiap hari atau setiap bulan agar tidak keracunan.

“Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, sensor kami juga mengikuti lintasan tepat di tengah, dalam hal konsentrasi yang dikirim versus konsentrasi yang dilaporkan. Kami sangat akurat untuk semua gas ini, meskipun MPS hanya dikalibrasi pabrik ke metana. Tetapi karena cara kami menginterogasi udara, kami sebenarnya dapat menentukan gas mana yang ada, mana yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Rogers.

Algoritma

“Kami pandai dalam dua hal,” kata Rogers. “Salah satunya adalah membangun sensor hotplate, yang membutuhkan pengembangan bertahun-tahun. Dan dua, belajar bagaimana berbicara dengan kompor listrik itu.” Perangkat dasarnya cukup sederhana — hanya resistor yang dipanaskan dan pengukuran suhu. Bagaimana informasi itu digunakan adalah kunci fungsi sensor. Data yang berasal dari hotplate bersama dengan data yang berasal dari sensor lingkungan yang mengukur suhu, tekanan, dan kelembaban digunakan untuk mendapatkan pembacaan. “Setiap dua detik kami mengambil data dari hotplate, kami mengambil data dari sensor lingkungan dan kami menjalankan banyak algoritme yang telah kami kembangkan selama 15 tahun dan hasilnya:'ini gas ini, ini konsentrasinya,' dan itulah triknya,” kata Rogers.

Mengambil data yang sama tetapi mengubah algoritme telah memungkinkan NevadaNano mengembangkan lusinan produk yang didasarkan pada perubahan perangkat lunak. Misalnya, ada jenis refrigeran baru yang pemanasan globalnya rendah. Tetapi banyak dari refrigeran baru ini, yang digunakan di unit pendingin udara dan lemari es, dll., mudah terbakar. Oleh karena itu, semua AC perumahan akan membutuhkan sensor mudah terbakar untuk mencegah kondisi yang tidak aman. Berdasarkan sifat termodinamika molekul pendingin tersebut, NevadaNano mampu menghasilkan produk yang secara unik cocok untuk spesies gas tertentu atau beberapa, hanya dengan membuat perubahan perangkat lunak. Jadi, dalam waktu sekitar satu bulan mereka memiliki produk Alpha baru dan mulai mengeluarkannya dan menunjukkannya kepada orang-orang.

Kalibrasi

Saya bertanya kepada Rogers apakah mereka perlu mengkalibrasi setiap sensor untuk gas tertentu. Dia menjawab bahwa itu tergantung pada gas mana yang perlu dideteksi. Untuk gas standar yang mudah terbakar, mereka menggunakan metana sebagai gas kalibrasi di pabrik. “Setelah kami menunjukkan sensor metana, kami tidak perlu mengkalibrasinya menjadi hidrogen, butana, propana — sensor ini juga merasakan semua gas lainnya secara intuitif.” Jadi, misalnya, mereka tidak perlu menggunakan hidrogen di pabrik untuk mengkalibrasi sensor khusus hidrogen.

Aplikasi

Saya kemudian bertanya kepada Rogers tentang aplikasi tipikal. “Kami hanyalah sensor — kami adalah perangkat kecil berbentuk ember yang dicolokkan ke sistem detektor. Misalnya, jika Anda pergi ke kilang hari ini dan melihat-lihat dinding, Anda akan melihat banyak lusinan perangkat yang terlihat seperti pengukur daya listrik.” Mereka memiliki beberapa sensor yang terpasang, mungkin termasuk sensor hidrogen sulfida, sensor oksigen, sensor karbon monoksida, dan sensor gas yang mudah terbakar seperti MPS.

Petugas pemadam kebakaran dan responden pertama lainnya yang berlari ke dalam gedung biasanya memakai apa yang disebut sensor empat gas — perangkat kecil seukuran ponsel yang diletakkan di bahu mereka dan memiliki empat sensor gas di dalamnya, termasuk MPS.

Menjumlahkannya

Menurut Rogers, MPS adalah teknologi paling inovatif untuk pendeteksian gas selama lebih dari 30 tahun. Ini mengatasi kekurangan teknologi yang ada; stabil di seluruh rentang operasi yang luas, termasuk perubahan suhu dan kelembaban yang cepat; itu akurat untuk daftar gas yang mudah terbakar (termasuk hidrogen). Selanjutnya, MPS dapat digunakan untuk lingkungan dengan banyak atau tidak diketahui gas yang ada dan secara intrinsik aman, kuat, dan kebal terhadap keracunan.

Artikel ini ditulis oleh Ed Brown, Editor Teknologi Sensor. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .