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1 さんさんコンソ 低消費電力型ガス成分分析センサ ガスセンサの用途 ( 従来からのニーズと新たなニーズ ) 危険予知 防止 ( 従来からのニーズ ) () 爆発性ガス 揮発性有機化合物 (VOC) の検出 新たなニーズーー > 安全 安心 健康 安全 安心 () 呼気アルコールの検出 ーー 車載化 運転の自動化 エタノールの検出 岡山理科大学工学部電気電子システム学科教授秋山宜生 環境モニターーー 大気汚染ガスの飛来と () 排気ガス大気汚染ガスの検出危険回避アメダスのようなガスモニターシステムが必要 (7) エネルギーハーベスティングを利用した細かな測定 ( 後で説明 ) () 室内環境ガスの検出 ーー 施設の悪臭対策 病院 老人ホーム公共施設 住宅 ベンゼントルエンホルムアルデヒドアンモニア等 健康 医療 () 病気診断 ガンなどの非接触検出 従来技術 () セレンナノワイヤーを用いた有機ガス検出用ガスセンサ 基本特許 メカニズム - 有機ガス吸着による電流値減少 - 有機ガス吸着による電流変化 8/8 アセトン --- 糖尿病 肥満 アセトアルデヒド --- 飲酒 食道がん 咽頭ガン シックハウス症候群 臭いの判別 探査 (6) ロボット 宇宙探査機への搭載 人体ガス検出 大気汚染情報 低消費電力動作が必要 (7) エネルギーハーベスティング技術との融合アメダスのようなきめ細かな測定による予報の実現 センサ性能 : 小型 高感度 低コスト 低消費電力 (μw 以下の実現が必要 ) 単体型ガスセンサ ( 単層 ) a: 基盤 b: 基体電極 ( 銅板 ) c: 金属膜 d: セレンナノワイヤー e: カーボンテープ日本特許第 9 号韓国 ( 登録手続中 ) 米国 ドイツ ( 審査中 ) JT 支援 : -7 つの電極間にセレンナノワイヤーを配置 特徴 : 作製が容易 安価室温動作 コンパクトヒーティング不要 on I I I min butanol on 6 8 センサ応答 の定義 I Imin I I I I = πr J C I min = π(r -Δr) J C r: e ナノワイヤーの半径 I : 初期電流値 I min: 最小電流値 J C: 空間電荷制限電流領域での電流密度 注入電子が正孔と結合することで e ナノワイヤーの半径が Δr 分だけ減少することで e ナノワイヤの表面積が減少し 電流値が減少する 6

2 単体型ガスセンサの欠点 on I I I min 6 8 butanol on 従来技術 () 単一アレイ型ガスセンサの構造 構造 : センサの大きさ数ミリ角 電極を多数配備 ( 片面のみ細い電極とし電場を集中化 ) 被検ガスと接触する流路をもつ enwナノワイヤーで検出 I/I.. on acetone.9 6 acetone 単体型 : 強度を検出 ガス種の検出強度が同じものは 分離できない 単層型 PCT/JP/777 JT 支援 :-66 () ガス種の特定 () 混合ガス成分の分析能力をもつ () 高検出感度 () 高応答速度 () 安定性 可搬性に富む (6) 繰り返し使用可能 (7) 電子機器への組み込み可能 センサの重要部分の大きさ数ミリ角ガス種の特定 & 多成分分析能力をもつ I/I アセトンガスに対する I/I 値 単体型 : 強度を検出 ガス種の検出強度が同じものは 分離できない 単一アレイ型 : 時間差を検出 ガス種の時間差により分離 判別可能 ( 注意 : 縦軸の時間は対数表示 ) I ( 感度 低消費電力の問題 ( センサ構造 ) V 電圧印加下での電流値 =からμA 程度 (.mwからmw) 単層型ではセンサ感度が V 付近で max エネルギーハーベスティング用センサ ( スペック μw) にはまだ不適当 V $6-et ガスセンサ 導電層の役割 : ワイヤーの電気伝導 & 飛散防止 高感度化 ( 電極構造 ) 上部電極サイズを変えて測定した結果 C を低減することによって急激に感度上昇 $6-et V = V 6 8 C (pf) 下部電極サイズ (. ) down ( ) down ( ) down (. ) down 従来技術 () に相当するデータ

3 最適条件 高感度 低消費電力化 ( 層型センサ構造 ) 高感度 低消費電力化 ( 層型センサ構造 ) 単層型 C が小さいほど感度 が良くなる! ナノワイヤーを用いることによるメリットーーーー > より面積を小さくできる 電界の集中効果を利用ーー > が大きくなる 電流値の減少ーー > 低消費電力 応答速度 回復速度の高速化 積層型 ガス接触面積も増加 が大きくなる C ー C / n R ー R x n ー 電流減少による低電力化 ガスセンサ 層型 電極のサイズが同じならば C は単層型の約 / になる ナノ材料の集合層と導電層との 層積層化 静電容量の測定結果 電極面積 x. mm の場合 単層型の静電容量 =. pf 層型の静電容量 =.6 pf 積層にすることにより 静電容量を小さくできるーー > 時定数の減少応答速度の向上 $6-et 層型では V 付近でセンサ感度がmax I ( 層型にすると感度が高くなるので V 以下の電流値も使用できる エネルギーハーベスティング用センサに使用できる 高感度 低消費電力化 ( センサ構造による違い ) 本発明の効果 積層化 本発明の効果 シールド膜によるノイズ低減 $6-et 層型では V 付近でセンサ感度がmax エタノールを検知した実験結果 層積層構造にすることにより 感度が向上し 消費電力が ~ 桁減少する $6-et. P ( W) V 動作時の消費電力は.μW 単層と 層型の比較 感度 動作電圧消費電力. 倍 V 以下 μw 以下も可能 6 V = V 層型単層型 6. 8 I / I.7. エタノールの検知結果 層積層構造にすることにより 電流が約 桁減少ーー > 低消費電力応答時間が約 /になる ーー > 応答速度の向上 = I/I 7 シールド膜あり.. V = V Time t (s) (s) シールド膜によるノイズ低減電源電圧 V でも動作ーー > 低電力動作 動作電力 nw 以下. 6 I / I 9A, 9B: シールド膜 シールド膜なし.6.. V =.V 外部ノイズのため ノイズの大きさは変わらない. 6 8 t (s) I/I 8

4 - - - 濃度依存性 V = V flow speed. L/min ARs type acetaldehyde Concentration (ppm) I / I I/I V = V.8 ppm smth ON V =. V flow speed. L/min ppm acetaldehyde 6 ppm OFF s ON OFF 本発明 : 単一アレイ型 層積層タイプ 二つの検出素子のみで動作させた場合の電力 [ (. +.9) x. ] μw =. μw nw で動作 det det 9 V =. V すべて動作した場合でも [ ( ) x. ]μw =.6 μw 測定データの表示化 測定値の自動解析 9 I/I (arb. unit) ブタンガス det 9 det 7 8 butane V =. V smth I/I (arb. unit) 低消費電力単一アレイ型ガスセンサ ( 分析能力を有するセンサ ) の将来性. 持ち運び可能な ( 簡易 ) ガス分析機器 ( 室温動作 小型軽量 省エネタイプ ) 医療分野 化学分析分野 スマートダスト型の分析センサ エネルギーハーベスティング用センサ 携帯電話 家電製品への組み込みセンサ. ガスクロマトグラフィーに代わる分析機器の可能性. ロボットなどへの搭載. 宇宙技術への可能性 ガス検知器メーカー簡易医療器具メーカー 家電メーカーロボットメーカー

5 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 微結晶セレンからなるガス感受性材料及び それを用いたガスセンサ 特許 : 特許第 9 号 出願番号 : ( 韓 ) --79 登録手続中 (JTの支援による) ( 米 ) -89 (JTの支援による) ( 独 ) 79.9 (JTの支援による) 大谷槻男 発明の名称 : ガスセンサアレイ ガス分析方法及びガス分析システム 出願番号 : 特願 -99 PCT/JP/777 (JT の支援による ) 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : ガスセンサ及びガスセンサアレイ 出願番号 : 特願 -776 PCT/JP/XXXX 出願準備中 (JTの支援による) 発明の名称 : ガスセンサ及びガスセンサアレイ 出願番号 : 特願 -98 お問い合わせ先 岡山理科大学学外連携推進室産学連携コーディネーター TEL FAX renkei@office.ous.ac.jp 安井茂男横溝精一 6 7 ご清聴ありがとうございました 8