下一代 MEMS 多气体传感

气体传感是一项关键功能，但该技术几十年来没有改变。因此，当我听说 NevadaNano（内华达州 Sparks）推出了一种全新类型的传感器时，我决定采访他们的工程总监 Ben Rogers。

分子特性光谱仪

他们将他们的传感器（一种基于 MEMS 的设备）称为 Molecular Property Spectrometer™ (MPS™)。

MPS 可燃气体传感器可以检测和识别 12 种最常见的可燃气体的浓度，包括氢气； MPS 甲烷气体传感器旨在监测石油和天然气行业的甲烷泄漏； MPS 制冷剂气体传感器可检测轻度易燃的低全球变暖制冷剂——所有制冷剂均基于相同的技术。根据 Rogers 的说法，他们的传感器比传统的 Pellistor（催化珠传感器）和非分散红外传感器 (NDIR) 更加准确和可靠。大多数传统传感器都有一层可以激发某种化学反应的涂层。问题在于，随着时间的推移，能够进行反应的传感位点可能会被破坏。然而，MPS 是一种惰性的硅基表面，不需要任何化学反应。根据 Rogers 的说法，它会加热，测量空气的热力学特性，然后再次冷却，因此无需任何校准即可使用 10 年或更长时间。

识别气体

MPS 内置于大约一英寸大小的封装中，如图 1 所示。待测试的空气通过顶部的网状筛进入并撞击悬挂的、系留的微型加热板，该微型加热板的直径与人类头发的直径相同——直径 100 微米。加热板可以加热到数百摄氏度。热源是焦耳加热器，其中电流通过电阻元件馈入，如图 1 的插图所示。电流通过其中一个系绳进入，旋转并从该轨迹上流出。 Rogers 说：“我们可以测量热板的电阻，这可以为我们提供温度以及达到该温度所需的功率。”板的温度与达到该温度所需的功率之间的关系是空气热导率的函数。当空气中含有气体时，其热特性会发生变化。例如，如果空气中存在甲烷并且加热板被加热，由于甲烷比空气更具有导热性，因此与没有甲烷时相比，将加热板保持在合适的温度需要更多的能量。

MPS 是其独特特性的关键，它是一种 MEMS 设备，其生产方式与硅芯片类似：在代工厂；而且因为它是一个 MEMS 设备，所以它运行所需的功率非常小。 “在此之前，从来没有一个可燃传感器可以告诉你你正在检测的气体类别。当我们进行检测时，我们还提供分类。例如，传感器报告存在的浓度，并且它是氢气，或​​者像戊烷这样的中等气体，或者是氢气混合物，”罗杰斯说。 “传统的气体传感器从来没有进行分类的能力。这就是我们如此准确的原因：因为我们可以针对任何气体调整校准。”

浓度

重要的浓度单位是爆炸下限 (LEL)，它是在存在点火源的情况下能够产生闪光的空气中气体的最低浓度（按体积百分比）。由于用户想知道他们与 50% 的 LEL 有多接近，因此识别存在哪种气体的能力很重要，因为每种气体的 LEL 是不同的。

图 2 显示了递送浓度与报告浓度的关系图。它说明了该领域传感器的主要问题之一。一个完美的传感器可以准确地告诉你报告的内容——它就在中间。过度报告浓度的传感器会过早触发警报，从而产生代价高昂的误报。漏报会产生假阴性，这是很危险的。理想情况下，您希望曲线位于中间。从右侧图中可以看出，MPS 传感器的准确度对于七种不同的气体来说是物有所值的。

MPS 如此精确的原因在于，无论存在何种气体，传感器软件都会实时自动调整校准。

MPS 与传统气体传感器

NDIR 传感器通常针对甲烷进行校准，因此甲烷的交付与报告图表是一对一的（图 3，左）。但是对于您通常在这些应用中遇到的所有这些其他气体，它会被过度报告——它的读数会很高。当湿度或温度变化相对较快时，它也容易出现误报。重要的是，它根本看不到氢气，而氢气正成为世界范围内越来越重要的气体，有很多应用。

催化珠（cat bead）是该空间中的另一个传感器（图 3，右）。当您将其校准为甲烷时，它对甲烷是正确的，但如果您遇到这些应用中常见的任何其他气体，它的读数会很低。此外，随着时间的推移，依赖催化反应的猫珠很容易中毒。如果有人和这个戴着护手霜的传感器在同一个房间里，那足以毒死它，所以它不再起作用了。

或者，如果您是一名消防员，并且您当天给卡车打蜡，那么您建筑物中的所有传感器都可能会中毒。因此，它需要频繁且昂贵的维修——你必须定期检查——有些地方每天或每月都会检查它们，以防止它们中毒。

“如图 2 所示，就交付浓度与报告浓度而言，我们的传感器也沿着中间的轨迹。尽管 MPS 仅在工厂校准为甲烷，但我们对所有这些气体都非常准确。但由于我们如何询问空气，我们实际上能够确定存在哪种气体，这是前所未有的，”罗杰斯说。

算法

“我们擅长两件事，”罗杰斯说。 “一个是建造热板传感器，这需要多年的发展。第二，学习如何与那个电炉对话。”基本设备非常简单——只有一个加热电阻和一个温度测量。如何使用这些信息是传感器功能的关键。来自加热板的数据以及来自测量温度、压力和湿度的环境传感器的数据用于获取读数。 “每两秒钟，我们就从电炉中获取数据，从环境传感器中获取数据，然后运行一系列算法，这些算法花了我们 15 年的时间才开发出来：‘就是这种气体，就是这种浓度，’并且这就是诀窍，”罗杰斯说。

采用相同的数据但更改算法使 NevadaNano 能够开发出数十种基于软件更改的产品。例如，有一种新型制冷剂可以降低全球变暖。但许多用于空调机组和冰箱等的新型制冷剂是易燃的。因此，所有住宅空调都需要可燃性传感器来防止不安全的情况。基于这些制冷剂分子的热力学特性，NevadaNano 只需对软件进行更改，就能够设计出一种独特适用于特定气体或多种气体的产品。所以，在大约一个月内，他们有了一个新的 Alpha 产品，并开始将它拿出来展示给人们。

校准

我问罗杰斯是否需要针对特定​​气体校准每个传感器。他回答说，这取决于需要检测哪种气体。对于标准的易燃气体，他们在工厂使用甲烷作为校准气体。 “一旦我们展示了传感器甲烷，我们就不必将其校准为氢气、丁烷、丙烷——它也可以直观地感知所有其他气体。”因此，例如，他们不一定必须在工厂使用氢气来校准氢气专用传感器。

应用程序

然后，我向 Rogers 询问了典型应用。 “我们只是传感器——我们就是那个插入探测器系统的小桶形设备。例如，如果你今天去炼油厂四处看看墙上，你会看到几十个看起来像公用电表的设备。”它们插入了多个传感器，可能包括硫化氢传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和可燃气体传感器，例如 MPS。

消防员和其他急救人员冲入建筑物时通常会佩戴所谓的四气体传感器——一种手机大小的小设备，可以放在他们的肩膀上，里面有四个气体传感器，包括一个 MPS。

总结

根据 Rogers 的说法，MPS 是 30 多年来最具创新性的气体检测技术。它克服了现有技术的缺点；它在广泛的工作范围内保持稳定，包括快速的温度和湿度变化；它对于常见易燃气体（包括氢气）的列表是准确的。此外，MPS 可用于存在多种或未知气体的环境，具有本质安全、坚固、抗毒等特点。

本文由 Sensor Technology 的编辑 Ed Brown 撰写。如需更多信息，请访问此处 .