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

ＮＭＥMＳ技術研究機構

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ＮＭＥMＳ技術研究機構

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。
法律による規制
VOCは健康被害を引き起こす
建築基準法
環境基本法

VOCは工場では必須の物質

労働安全衛生法

ポンプ・ファン（排気システム）でVOCを許容濃度以下に保つ
許容濃度
TolueneOctaneEthanol

OSHA(米国安全衛生局)-PEL
200 ppm
300 ppm1000 ppm

ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的
工場のジレンマ
作業員の安全の確保

工場の運用コストの低減
節電効果

節電メニューと節電効果（経済産業省）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的
VOCモニタリングにより予想される効果
流量

排気量

工場の排気システムの消費電力の低減

時間

現状の排気システムの運用

流量排気量の低減

VOC濃度センサの出力値
流量

VOCセンサの出力値に対応した排気量
時間

VOC濃度センサを用いた排気システムの運用
VOC 濃度センサ

時間

VOC濃度センサを用いた排気流量制御
による節電イメージ

VOC 濃度センサ

VOC濃度センサによる工場の環境モニタリングのイメージ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

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
工場の運用コスト低減と作業員の安全確保の両立
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

工場の排気システムの消費電力

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
小型、低消費電力、低環境負荷“グリーン”なプロセスで作製
ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的
センシング法の比較

センシング法センサ

低消費電力化

センサ原理

小型化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④共振式センサ
電極

‐+水素炎
or
紫外線

金属酸化物半導体(MOS)の抵抗の変化を検出
振動子の共振周波数の変化を検出

VOC

検出器
光源

①イオン化式センサ

VOC

VOC
酸素

VOC

‐ 酸化スズ
水素源
or
光源（太陽電池駆動可否）

+ヒータ

高分子膜
基板

感応膜
振動子

②干渉増幅反射式センサ③熱抵抗式センサ

ＮＭＥMＳ技術研究機構④共振式センサ

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

 センサのVOC検出原理

太陽電池

Gain

発信回路
I2C-I/F
無線送信機

VOCガスの吸着，リリースによる共振周波数がシフトを検出

VOC ガス

振動検出部材
振動子

感応膜
Frequency

無線受信機

ポリマー

利点：低環境負荷“グリーン”なプロセスを実現

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２．開発項目と目標
 開発項目と目標

H23

振動検出部材

開発項目

目標

1)ポリマー振動子の開発

共振周波数：500kHz以上
Q値：100以上

H24 2)VOC濃度センサの開発
H25

感応膜振動子

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

3)センサネットワーク
サイズ：20mm(L)×50mm(W)H26 用VOC濃度センサ
平均消費電力:100μW以下の開発

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）

特願2013-172635, “ガスセンサ”
特願2015-023039, “ガスセンサ”
“Fabrication and Testing of Polymer Cantilevers for VOC Sensors”, Sensors and Actuators A Physical Vol. 202 ( 2013), 233–239
“Development of PMMA-based gas sensor and its evaluation using a VOC dilution flow system”, Microelectronic Engineering Vol.
119 (2014), 115–121
“Basic characteristics of polycarbonate-based dual cantilever sensors for detecting VOC”, JSME Mechanical Engineering
Journal Vol.1 No.5 (2014), 14-00187

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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

10mm

ポリマーカンチレバーチップアレイ

Resonance frequency [kHz]

10000

1000

Meas.

100
PMMA1
PMMA2
PMMA3
PC1
PC2
PC3

101500m

PMMAカンチレバー（PMMA3）

0123
Flexural vibration mode4

PMMA、PCカンチレバーの曲げ振動モードと共振周波数

ＮＭＥMＳ技術研究機構

5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

1000

100

ポリマーカンチレバーチップアレイ

Quality factor

10mm

Meas.

PMMA1PMMA2
PMMA3PC1PC2
PC31010500m

PMMAカンチレバー（PMMA3）

1234

Flexural vibration mode

PMMA、PCカンチレバーの曲げ振動モードとQ値

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5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
2nd flexural vibration mode
3rd flexural vibration mode

PC cantilever
PBD
PC cantilever

PVDFPC1000m

PCカンチレバー部の拡大図

Vibration power [dB]

1st flexural vibration mode

0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100Laser Doppler Vibrometer
PVDF piezoelectric film

050100150200Frequency [kHz]
ポリマーを用いた共振式VOC濃度センサの周波数応答

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250

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)-PELToluene
200 ppm
Octane300 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

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OSHA-PEL（許容濃度）とセンサの検出濃度の比較

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

有機太陽電池無線端末（産総研）

有機太陽電池ユニット（東工大・日清紡）

VOC 濃度センサ

実証検証（局所排気装置）

電源ユニット50mm
無線受信データ

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４．ネットワーク・応用分野
工場の環境モニタリング
VOC 濃度センサ

VOC 濃度センサ

センサネットワーク用VOC濃度センサの強みと要因
強み

要因

小型

共振式VOC濃度センサ

低消費電力
低環境負荷な製造プロセス

ホットエンボスメンテナンスフリー

太陽電池

低導入コスト

無線端末

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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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