Suivant

La détection des gaz est une fonction essentielle, mais la technologie n'a pas changé depuis des décennies. Ainsi, 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 Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Le capteur de gaz inflammables MPS peut détecter et identifier les concentrations de 12 des gaz combustibles les plus courants, dont l'hydrogène ; le capteur de gaz méthane MPS est conçu pour surveiller les fuites de méthane pour les industries pétrolières et gazières ; le capteur de gaz réfrigérant MPS détecte les réfrigérants légèrement inflammables à faible réchauffement climatique, tous basés sur la même technologie. Selon Rogers, leur capteur est beaucoup plus précis et fiable que le Pellistor traditionnel (capteur à billes catalytiques) et le capteur infrarouge non dispersif (NDIR). La plupart des capteurs traditionnels sont dotés d'un revêtement qui suscite une sorte de réaction chimique. Le problème est qu’avec le temps, les sites de détection qui permettent la réaction peuvent être détruits. Le MPS, cependant, est une surface inerte à base de silicium, qui ne nécessite aucune réaction chimique. Il se réchauffe, mesure les propriétés thermodynamiques de l'air, puis se refroidit à nouveau, de sorte qu'il peut durer 10 ans ou plus sans aucun calibrage, selon Rogers.

Le MPS est intégré dans un boîtier d'environ un pouce, comme le montre la figure 1. L'air à tester pénètre à travers le tamis en haut et heurte une microplaque chauffante suspendue et attachée, qui a le même diamètre qu'un cheveu humain - 100 microns de diamètre. La plaque chauffante peut être chauffée jusqu'à des centaines de degrés Celsius. La source de chaleur est un radiateur Joule, dans lequel un courant électrique traverse un élément résistif, comme le montre l'encadré de la figure 1. Le courant entre par l'une des attaches, tourbillonne et ressort sur cette trace. "Nous pouvons mesurer la résistance de la plaque chauffante, ce qui nous donne sa température ainsi que la puissance nécessaire pour atteindre cette température", a déclaré Rogers. La relation entre la température de la plaque et la puissance nécessaire pour atteindre cette température est fonction de la conductivité thermique de l'air. Lorsque l’air contient des gaz, ses propriétés thermiques changent. Par exemple, si du méthane est présent dans l’air et que la plaque chauffante est chauffée, puisque le méthane est plus conducteur thermique que l’air, il faut plus d’énergie pour maintenir la plaque chauffante à la bonne température que lorsqu’il n’y a pas de méthane.

Clé de ses propriétés uniques, le MPS est un dispositif MEMS, produit de la même manière que les puces de silicium : en fonderie ; et comme il s'agit d'un appareil MEMS, son fonctionnement nécessite très peu d'énergie. « Il n'y a jamais eu de capteur de combustible capable de vous indiquer la classe de gaz que vous détectez. Lorsque nous effectuons une détection, nous fournissons également une classification. Par exemple, le capteur signale la concentration présente et indique qu'il s'agit d'hydrogène, d'un gaz moyen comme le pentane ou d'un mélange d'hydrogène », a déclaré Rogers. « Les capteurs de gaz traditionnels n’ont jamais eu la capacité d’effectuer une classification. C'est ce qui nous rend si précis : parce que nous pouvons ajuster notre étalonnage en fonction du gaz présent.

L'unité de concentration qui compte est la limite inférieure d'explosivité (LIE), qui est la concentration la plus faible (en pourcentage de volume) d'un gaz dans l'air capable de produire un éclair de feu en présence d'une source d'inflammation. Étant donné que les utilisateurs souhaitent savoir à quel point ils se rapprochent de 50 % de la LIE, il est important de pouvoir identifier quel gaz est présent car la LIE de chaque gaz est différente.

La figure 2 montre les tracés de la concentration délivrée par rapport à la concentration rapportée. Cela illustre l’un des problèmes majeurs des capteurs dans cet espace. Un capteur parfait vous indique exactement ce qui est signalé : il va jusqu'au milieu. Un capteur qui surévalue la concentration déclenchera une alarme trop tôt, donnant un faux positif coûteux. Une sous-déclaration donne un faux négatif, ce qui est dangereux. Idéalement, vous voudriez que la courbe se situe exactement au milieu. Comme le montre le graphique de droite, la précision du capteur MPS est à la hauteur pour sept gaz différents.