革命性MEMS多气体传感器：精准识别12种可燃气体

气体感测是关键功能，但技术数十年未变。得知NevadaNano（内华达州斯帕克斯）推出全新传感器类型，我采访了其工程总监Ben Rogers。

分子性质光谱仪

该MEMS器件名为分子性质光谱仪™（MPS™）。

MPS可燃气体传感器可检测并识别12种最常见可燃气体（含氢气）的浓度；MPS甲烷传感器专为石油天然气行业监测甲烷泄漏；MPS制冷剂传感器检测微燃低全球变暖潜能值制冷剂——均基于同一技术。据Rogers称，其准确性和可靠性远超传统佩利斯特（催化珠传感器）和非分散红外传感器（NDIR）。传统传感器多依赖涂层激发化学反应，感应位点随时间失效。而MPS采用惰性硅基表面，无需化学反应，通过加热测量空气热力学性质再冷却，据称可免校准使用10年以上。

气体识别原理

MPS封装于约1英寸包装内（图1）。待测空气经顶部网格进入，冲击悬浮系留微热板（直径100微米，约发丝粗细）。热板可加热至数百摄氏度，热源为焦耳加热器——电流经电阻元件（图1插图）。电流从一系绳进入，绕行后从迹线流出。“我们可测量热板电阻，获得其温度及达到该温度所需功率，”Rogers说。热板温度与所需功率的关系取决于空气热导率。气体存在时热学性质改变：例如甲烷存在时，因甲烷热导率高于空气，维持热板温度所需功率更大。

关键在于MPS是MEMS器件，类似硅芯片在晶圆厂制造，功耗极低。“从未有可燃气体传感器能告知检测气体类别。检测时我们同时提供分类：如报告浓度及为氢气、戊烷等中等气体或氢气混合物，”Rogers说。“传统气体传感器从无分类能力。这正是我们高精度的原因：可针对现存气体自动调整校准。”

浓度测量

关键浓度单位为爆炸下限（LEL），即空气中能因点火源产生闪燃的最低气体体积浓度百分比。用户需知接近50% LEL的程度，因各气体LEL不同，识别气体种类至关重要。

图2展示输送浓度与报告浓度对比曲线，揭示该领域主要问题。完美传感器曲线应过原点中线。过报浓度导致误报（昂贵），欠报导致漏报（危险）。右图显示MPS对七种气体精准度极高。

MPS之所以精准，因其校准由传感器软件根据现存气体实时自动调整。

MPS与传统气体传感器对比

NDIR通常以甲烷校准，甲烷曲线为1:1（图3左），但对其他典型应用气体严重过报，且湿温度快速变化易致假阳性。关键是NDIR完全不检测氢气，而氢气在全球应用日益重要。

催化珠是另一主流传感器（图3右）。以甲烷校准时对甲烷准确，但对其他典型气体读数偏低。且催化珠依赖催化反应，极易中毒：有人涂抹手霜在同一房间即可使其失效；消防员给车打蜡可能导致楼内所有传感器中毒。因此需频繁昂贵维护——有的地方每天或每月检查。

“如图2所示，我方传感器输送与报告浓度轨迹亦过中线，高精度覆盖所有气体，尽管仅工厂以甲烷校准。但因我们对空气的询问方式，能前所未有地判断气体种类，”Rogers说。

算法核心

“我们擅长两点，”Rogers说。“一是制造热板传感器，耗时数年；二是学会如何与热板对话。”基础器件简——仅加热电阻和温度测量。关键在于信息利用方式。热板数据与测温压湿的环境传感器数据结合，获取读数。“每两秒采集热板与环境传感器数据，运行耗时15年开发的算法，输出：‘是此气体，此浓度’，这就是诀窍。”

同一数据改变算法，让NevadaNano基于软件变更开发数十款产品。例如新型低全球变暖制冷剂多易燃，所有家用空调将需易燃性传感器防隐患。基于制冷剂分子热力学性质，NevadaNano仅通过软件修改在约月内推出Alpha新品并展示。

校准策略

问及是否需对各气体单独校准，Rogers回应视检测气体而定。标准可燃气体以甲烷为工厂校准气。“展示甲烷后，无需再校准氢气、丁烷、丙烷——它直觉感知所有其他气体。”例如工厂无需用氢气校准氢气专用传感器。

应用场景

问及典型应用，Rogers说：“我们只是传感器——那个插入检测系统的小桶状装置。例如炼油厂墙上有许多类似电表的设备，插有多传感器，可能含硫化氢、氧气、一氧化碳传感器及MPS等可燃气体传感器。”

消防员等首批响应者佩戴四合一气体传感器——手机大小设备挂肩上，含四传感器包括MPS。

总结

据Rogers称，MPS是30多年来气体检测最创新技术。克服现有技术短板：宽工作范围稳定（含剧烈温湿度变化）；对常见可燃气体（含氢气）精准；适用多种或未知气体环境；本质安全、坚固、免疫中毒。

本文由Sensor Technology编辑Ed Brown撰写。更多信息请访问here。