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1 小型 低消費電力を実現するグリーン MEMS センサの開発 センサネットワーク用 VOC( 揮発性有機化合物 ) 濃度センサの開発 オリンパス株式会社白石直規

2 発表内容 OUTLINE 1. 背景と目的 2. 開発項目と目標 3. 開発の成果 4. ネットワーク 応用分野 5. まとめ

3 1. 背景と目的 VOCとは VOC(volatile organic compounds 揮発性有機化合物) とは 有機溶剤の総称である VOC VOC 法律による規制 建築基準法 環境基本法 労働安全衛生法 許容濃度 Toluene Octane Ethanol ポンプ ファン ( 排気システム ) で VOC を許容濃度以下に保つ OSHA( 米国安全衛生局 )-PEL 200 ppm 300 ppm 1000 ppm

4 1. 背景と目的 工場のジレンマ 節電効果 節電メニューと節電効果 ( 経済産業省 )

5 1. 背景と目的 VOC モニタリングにより予想される効果 VOC VOC VOC VOC

6 1. 背景と目的 センサネットワーク用 VOC 濃度センサが提供する価値 工場の運用コスト コスト低減策 構成要素の関係 工場の運用コスト コスト低減策 構成要素 VOCモニタリング VOC 濃度センサ メンテナンス費 自立電源 太陽電池 センサ導入コスト 無線通信 無線端末 VOC 濃度センサの開発思想

7 1. 背景と目的 センシング法の比較 センシング法 センサセンサ原理小型化 低消費電力化 ( 太陽電池駆動可否 ) 1 イオン化式センサイオン化した VOC の電荷量を検出 2 干渉増幅反射式センサ 高分子膜の膜厚 屈折率の変化量を光の反射と干渉により検出 3 熱抵抗式センサ 金属酸化物半導体 (MOS) の抵抗の変化を検出 4 共振式センサ 振動子の共振周波数の変化を検出 電極 + VOC 光源 VOC 検出器 VOC 酸素 VOC 水素炎 or 紫外線 水素源 or 光源 高分子膜基板 酸化スズヒータ + 振動子 感応膜 1 イオン化式センサ 2 干渉増幅反射式センサ 3 熱抵抗式センサ 4 共振式センサ

8 1. 背景と目的 テーマの目的 低環境負荷 グリーン なプロセスを実現するポリマーを用いた共振式 VOC 濃度センサを開発する センサの構成 太陽電池 VOC ガス センサの VOC 検出原理 ガスの吸着, リリースによる共振周波数がシフトを検出 発信回路 I2C-I/F Gain 無線送信機 無線受信機 振動検出部材振動子 ポリマー 感応膜 Frequency 利点 : 低環境負荷 グリーン なプロセスを実現

9 2. 開発項目と目標 開発項目と目標 振動検出部材 開発項目 目標 感応膜 H23 H24 H25 1) ポリマー振動子の開発 2)VOC 濃度センサの開発 共振周波数 :500kHz 以上 Q 値 :100 以上 ポリマーを用いた共振式 VOC 濃度センサの開発 VOC 検出性能 : 許容濃度以下 振動子 H26 3) センサネットワーク用 VOC 濃度センサの開発 サイズ :20mm(L) 50mm(W) 平均消費電力 :100μW 以下 特願 , ガスセンサ 特願 , ガスセンサ Fabrication and Testing of Polymer Cantilevers for VOC Sensors, Sensors and Actuators A Physical Vol. 202 ( 2013), Development of PMMA-based gas sensor and its evaluation using a VOC dilution flow system, Microelectronic Engineering Vol. 119 (2014), Basic characteristics of polycarbonate-based dual cantilever sensors for detecting VOC, JSME Mechanical Engineering Journal Vol.1 No.5 (2014), センサネットワーク用 VOC 濃度センサ ( センサ + 無線端末 + 太陽電池 )

10 3. 開発内容の成果 1) ポリマー振動子の開発 目標 : 共振周波数 :500kHz 以上 Q 値 :100 以上手段 : ホットエンボスによる小型ポリマーカンチレバーの加工 振動特性の評価成果 : 共振周波数 500kHz 以上のポリマーカンチレバー振動子を実現 mm ポリマーカンチレバーチップアレイ Resonance frequency [khz] PMMA1 PMMA2 PMMA3 PC1 PC2 PC3 Meas. 500 m Flexural vibration mode PMMA カンチレバー (PMMA3) PMMA PC カンチレバーの曲げ振動モードと共振周波数

11 3. 開発内容の成果 1) ポリマー振動子の開発 目標 : 共振周波数 :500kHz 以上 Q 値 :100 以上手段 : ホットエンボスによる小型ポリマーカンチレバーの加工 振動特性の評価成果 :Q 値 100 以上のポリマーカンチレバー振動子を実現 mm ポリマーカンチレバーチップアレイ 500 m PMMAカンチレバー (PMMA3) Quality factor Flexural vibration mode PMMA1 PMMA2 PMMA3 PC1 PC2 PC3 Meas. PMMA PC カンチレバーの曲げ振動モードと Q 値

12 3. 開発内容の成果 2)VOC 濃度センサの開発 目標 : ポリマーを用いた共振式 VOC 濃度センサの開発成果 : 振動子, 振動検出部材, 感応膜にポリマーを用いる構成とした低環境負荷なプロセスを実現するVOC 濃度センサを開発 PBD 1st flexural vibration mode 2nd flexural vibration mode 3rd flexural vibration mode PVDF PC cantilever PBD PC cantilever PC 1000 m Vibration power [db] Laser Doppler Vibrometer PVDF piezoelectric film PC カンチレバー部の拡大図 Frequency [khz] ポリマーを用いた共振式 VOC 濃度センサの周波数応答

13 3. 開発内容の成果 2)VOC 濃度センサの開発 目標 :VOC 検出性能 : 許容濃度以下成果 : 流量 100scccm 180 秒という条件でトルエン オクタン エタノールの許容濃度 (OSHA-PEL) を検出可能なVOC 濃度センサを実現 VOC 濃度センサ Cantilever length : 1500μm Cantilever width : 300μm Cantilever thickness : 100μm OSHA( 米国安全衛生局 )-PEL Toluene 200 ppm Octane 300 ppm Ethanol 1000 ppm 許容濃度 PBD coated PC cantilever (5000ppm, 100sccm) VOC 濃度センサの共振周波数シフト OSHA-PEL( 許容濃度 ) とセンサの検出濃度の比較

14 3. 開発内容の成果 3) センサネットワーク用 VOC 濃度センサの開発 目標 : サイズ :20mm(L) 50mm(W) 平均消費電力 :100μW 以下成果 : サイズ :20mm(L) 50mm(W) 30mm(T), 平均消費電力 :30μW を達成 VOC 濃度センサモジュール ( オリンパス 信大 ) 発振回路 +I2C-I/F パッケージ 有機太陽電池 VOC 濃度センサ 無線端末 ( 産総研 ) 実証検証 ( 局所排気装置 ) 有機太陽電池ユニット ( 東工大 日清紡 ) 電源ユニット 50mm 無線受信データ

15 4. ネットワーク 応用分野 工場の環境モニタリング VOC VOC センサネットワーク用 VOC 濃度センサの強みと要因 強み小型低消費電力低環境負荷な製造プロセスメンテナンスフリー低導入コスト 要因共振式 VOC 濃度センサホットエンボス太陽電池無線端末

16 5. まとめ 1. 共振周波数 500kHz 以上 Q 値 100 以上のポリマーカンチレバー振動子を実現 2. 振動子 振動検出部材 感応膜にポリマーを用いる構成とした小型 低消費電力 低環境負荷なプロセスで製造可能な VOC 濃度センサの開発に成功 3. 流量 100sccm 180 秒でトルエン オクタン エタノールの許容濃度 (OSHA-PEL) を検出可能な VOC 濃度センサを実現 4. 無線端末と太陽電池を搭載したセンサネットワーク用 VOC 濃度センサを実現

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