特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─3環境センシングデバイスの開発

本多祐仁

田中純一

オムロン（株）CO2 ガスセンサ，赤外線アレーセンサ，BEMS・HEMS

なサーモパイル型赤外線アレーセンサを用い，素子の小型1．はじめに化による感度の低下を補うためにウェハレベルでの真空封オフィスビル，製造現場などの省電力化を進めていくた

止を用いた赤外線アレーセンサについて紹介する。

めには，人の位置，および人数を把握し，不在時，あるい

本稿では現在 NEDO 研究（2）として複数企業と共に検討

は不在箇所の空調・照明のエネルギーを落とすことが有効している中小オフィス向けの省エネ情報システム（以下，な手段である。また，ビル衛生管理法において二酸化炭素グリーンセンサネットワークプロジェクト：GSN）の中の（CO2）濃度を 1 000 ppm 以下にする基準が定められておCO2 センサおよび赤外線アレーセンサの取り組みについてり，換気が必要となる。また，業務の効率面でも CO2 濃紹介する。

度が高くならないように換気制御を行うことが望ましい。
一方，過剰換気はエネルギーのロスとなるため，CO2 濃度をモニタして必要最小限の換気を保つことが省エネルギー

2．イオン液体を用いた CO2 センサ
2.1

CO2 センサの構成

GSN では，イオン液体の CO2 吸着を利用して，従来の化にとって重要となる。
オフィスなどでの人の位置や換気の必要性を検出するセCO2 センサと比べ，低消費電力（従来比より 1 / 100）・小ンサとしては，CO2 センサおよび赤外線センサがあげられ型（ セ ン サ サ イ ズ 10 × 10 mm）
・ 長 寿 命・ 低 コ ス ト なる。CO2 センサについては，現状は，CO2 が赤外線の特定

CO2 センサの開発に取り組んだ（3）〜（6）。

波長を吸収する原理を用いた NDIR 方式（非分散型赤外

図 1 に我々の開発中の CO2 センサの概略図を示す。電分光法）と，CO2 ガスと固体電解質（ファインセラミック

極 基 板 は Micro Electro Mechanical Systems（MEMS）ス）の化学反応を利用した電池型の 2 種類がある。しかし技術を用いてガラス基板または Si 基板上に電極部を形成ながら，NDIR 方式は，赤外線を吸収するための光路長おした。中央部にイオン液体を実装し，液漏れ防止のため，よび光源が必要であり，電池型は電解質であるファインセガス透過膜でカバーした。

ラミックスの室温での電導度が低く，ヒータによる加温2.2

イオン液体を用いた CO2 センサの開発内容②

CO2 濃度を制御できるチャンバーを作製した。図 2 にサイズが大きい ③光源や電池の寿命があるなど，両者と実験装置の系統図を示す。ガス濃度はマスフローメータでもに課題がある。そこで，本稿ではこれらの課題を解決す制御した。インピーダンス値の測定は電気化学計測システ

る新たなセンシング方法について紹介する。

ム（イギリス Solartron，12608）を用いた。セルは，図 3（約 400℃）が必要であるため，①消費電力が大きい

赤外線センサの検知方式として，代表的には，焦電型，（1）に示す電気化学セル（東陽テクニカ，SP-C1R-C）を使用

ボロメータ型，サーモパイル型が存在する 。この中で，し，イオン液体をマイクロピペットで 2 mℓ滴下して測定低価格化には通常の IC の作製に利用される CMOS プロセを 行 っ た。 イ オ ン 液 体 は ethyl-methyl-imidazolium

スを用いることができるサーモパイル型が有利である。ま

（EMIMBF4），ethyl-methyl-imidazolium（EMIMTFSI）

た，赤外線アレーセンサの低価格化のためには，素子の小型化も有効である。しかし，小型化により感度が低下する

イオン液体ため，高感度化技術が必要となってくる。サーモパイル型
赤外線センサの感度向上の方策として，サーモパイル数を電極増加させることや吸収膜を大きくすることによって開口率を上げる方法がとられているが，双方とも小型化には背反する方法である。そこで，小型で低価格な赤外線アレーセ
ンサの実現を目標に，従来の CMOS プロセスで作製可能
210© 2013 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

図1

開発中の CO2 センサの概略図
IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─3

環境センシングデバイスの開発

O2Door

Temp

CO2Chamber

bubblermain valve

Air

H2O sensor

Impedance［Ω］

45 000Fan

CO2sensor

50 000N2Gas mixer

40 00035 00030 00025 000Dry pump

図20 . 1Hz
initial 0 . 1Hz

20 000実験装置の系統図

図5015304560
7590
absorption time［min］

105120CO2 600 ppm での EMIMTFSI のインピーダンス特性

1 . E＋06

図3

電気化学セル＋4 000 ppm
0 ppm
400 ppm
1 000 ppm
1 500 ppm
2 000 ppm
2 500 ppm
3 000 ppm
3 500 ppm
4 000 ppm

1 . E＋04

1 . E＋03
0 . 01MeEt

1 . E＋05

BF4−NNImpedance［Ω］0 ppm

図6＋N
EtMeなどを用いた。
図 4 に今回用いたイオン液体の分子式を示す。
測定方法は，チャンバ内に電気化学セルをセットし，真4 . E＋05
3 . E＋05
2 . E＋05
1 . E＋05

で，投入した。気圧は 1 atm に保持した。その後，所定

0 . E＋00の範囲で，行った。
2.3

イオン液体を用いた CO2 センサの特長

EMIMTFSI のインピーダンス特性値

5 . E＋05

空（10 kPa 程度）にしてから，N2，O2 を 80：20 の比率量の CO2 を投入した。測定は CO2 濃度を 0 〜 4 000 ppm

106 . E＋05

イオン液体 EMIMBF4（上）およびEMIMTFSI（下）の分子式1Frequency［Hz］

7 . E＋05

Impedance［Ω］

図4N（CF3SO2）2N−0.10

図71 000

2 000
3 000
4 000
CO2 concentration［ppm］

5 000

CO2 濃度とインピーダンス値の相関図

図 5 に EMIMTFSI の CO2 濃度 600 ppm で保持した状

につれ，インピーダンス値が低下する結果を得た。図 7態でのインピーダンス特性を示す。周波数 0 . 1 Hz で計測に CO2 濃度とインピーダンス値の相関図を示す。測定周を行った。インピーダンス値は測定から 10 分程度，値が波数 0 . 01 Hz にて，CO2 濃度とインピーダンス値の関係が変動するが，それ以降，インピーダンス値は安定した。よ1 次線形の関係を得た。図 7 より開発中の CO2 濃度センサって測定方法はチャンバ内に所定の CO2 濃度を投入しての分解能は，100 ppm であり既存の NDIR および固体電から 10 分後に，測定したインピーダンス値を採用した。

解質型 CO2 センサの分解能と同等以上の分解能を有する

図 6 に EMIMTFSI の CO2 濃 度 0 〜 4 000 ppm で の インピーダンス特性を示す。図 6 より，CO2 濃度が増加する
電学誌，133 巻 4 号，2013 年

ことが分かった。
開発中の CO2 濃度センサを用いれば，小型かつ低消費211

特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─3電力なセンサであるため，上記のアプリケーションにおいコンでサーモパイルが形成されている。赤外線吸収膜で吸ても対応が可能と考える。また商品化を考える上で，CO2収された赤外線が熱に変換されゼーベック効果によって，センサのセンシング部分であるイオン液体の長期信頼性の電圧が出力される。また，サーモパイル型赤外線センサの確保および製造プロセスの簡略化のために，イオン液体の出力 S（V）は，式（１）で表される。
S＝nαηRAP＝nαΔT ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）

ゲル化を検討している。

ここで，n はサーモパイル対数，αはゼーベック係数

3．サーモパイル赤外線アレーセンサ
3.1（V / K），ηは赤外線吸収率，R は熱抵抗（K / W）
，A は赤外線吸収膜面積（m2），P は入射光密度（W / m2），ΔT

開発コンセプト（K）は温接点と冷接点の温度差である。また熱抵抗 R は（１）開発目標
小型・安価な赤外線アレーセンサを開発することで，オフィスやクリーンルーム内の空調設備や照明機器の省エネ

MEMS 構造体の熱抵抗と周囲の気体の熱抵抗の合成抵抗である。

ルギー化に貢献することが最終目標である。そのために，センサ素子の小型化と高感度化を両立するために，n の低コスト・小型化に最適な MEMS 技術を駆使することにサーモパイル対数や A の赤外線吸収膜面積を増やすこと

より，環境温度や人の存在検知に適した赤外線アレーセンには限界がある．また，αのゼーベック係数とηの赤外線サチップを開発することを目標とする。

吸収率は使用する材質に依存する。したがって，R：熱抵（２）赤外線アレーセンサの仕様

抗を大きくすることが感度向上に対する対策となる。この

赤外線アレーセンサの仕様を，表 1 に示す。画素数・画素サイズは，高さ 3 m の天井の位置から 3 . 6 m 角の領

R を大きくする有効な方策がセンサ周囲の圧力を下げることである。

域の人をセンシングした際に，1 画素の視野範囲と人が同つまり，ウェハレベルで真空封止を行うことで，チップ程度の大きさとなるように設定した。また，一画素の応答サイズを拡大することなく，センサ素子を高感度化でき速度は，フレームレート 10 fps で人の存在検知ができるる。

ように設定した。

3.2

試作結果

実際に試作したセンサチップの SEM 像を図 9（a）に，（３）赤外線アレーセンサの特徴
開発する赤外線アレーセンサの特徴は，ウェハレベル真ウェハレベル真空封止後のチップ断面写真を図 9（b）に空封止による，センサ素子の小型・高感度化である。詳細示す。センサウェハとキャップウェハは，AuSn 共晶接合を以下に記載する。

を用いて真空封止を行っている。

一般的なサーモパイル型赤外線アレーセンサの断面模式チョッパを用いて，センサ素子に間欠的に赤外線を照射

図を図 8 に示す。メンブレン上に P 型と N 型のポリシリし，一画素のアナログ出力をオシロスコープで測定したところ一画素の応答速度は 18 msec 以下であった。

表1

GSN での赤外線アレーセンサの仕様
目標項目

センサ素子の感度の評価系を，図 10 に示す。センサ素目標値

チップサイズ

7 mm 角

画素数

16 × 16画素サイズ

250 µm 角

応答速度

33 msec

サーモパイル
絶縁膜

ポリシリコン

配線

絶縁膜

赤外線吸収層図 9（a） センサ側チップの SEM 像（真空封止前）

基板
冷接点

図8212

温接点

冷接点

サーモパイル赤外線アレーセンサの模式図

図 9（b） センサチップ断面写真IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─3

環境センシングデバイスの開発

シャッター
センサチップ

黒体炉AMP

CO2 センサの開発では，従来の CO2 センサの課題であった消費電力・サイズ・寿命といった課題をクリアする必
A/DConvertor

PC へ要がある。この打ち手として GSN ではイオン液体のインピーダンスが CO2 濃度に依存することを利用した CO2 濃度測定法を提案し効果を確認してきた。今後は CO2 セン

T＝RT＋25℃

図 10

サモジュール全体のさらなる小型化による低消費電力化をセンサ感度の評価系行うと同時に，自立型センサ端末として自立電源，無線デバイスの搭載に取り組んでいく。

表2

真空による感度変化の測定結果

真空封止前のセンサ
感度（bit/℃）

真空封止後のセンサ
感度（bit/℃）

真空効果

0 . 87

1 . 852.0 倍

また赤外線センサの開発では，環境温度や人の存在検知に適した赤外線アレーセンサチップを開発することを目標に，MEMS 技術とウェハレベル真空封止を利用し，サーモパイル赤外線アレーセンサチップの試作を実施した。真
空封止により，2 . 0 倍の感度向上の効果を確認できた。

子に対して，周囲温度より 25℃高い温度の黒体炉から出射される赤外線を照射し，センサ素子の出力から感度を算

実際に GSN の中で実証実験を進めることで，センサ仕様の見直しを進め，省エネ効果をさらに高めていく。

出する。真空封止前の感度と，真空封止後の感度を比較す

特に東日本大震災以降，電力の不足から起因される節電ることで，真空封止によるセンサ感度向上の効果（以下，や省エネルギー化への取り組みが今後も継続的に必要不可真空効果という）を測定した。表 2 に，真空効果を測定

欠であり，今後，本プロジェクトに参画している他の企業した結果を示す。真空封止により，センサの感度が約 2 . 0との連携を深めながら，小型・低消費電力なセンサネット倍向上したことを確認できた。

ワークの実現を目指していく。

4．おわりにイオン液体を用いた小型かつ低消費電力の CO2 センサの開発および小型高感度なサーモパイル型赤外線アレーセ〈謝辞〉 本稿に記載の成果の一部は，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の共同研究業務の結果から得られたものです。

ンサについて概要を紹介した。

文 献

本多 祐仁

（１）M. Ohira et. al., Proc. MEMS 2011, pp.708─711（2011）（２）技術研究組合 NMEMS 技術研究機構 HP：http://www.nmems.or.jp/index.html（３）M. Honda et al, Proc. SENSORS 2012, pp.745─748（2012）（４）本多祐仁 予稿集 第 3 回イオン液体討論会 , p.132（2012）（５）K. Ishizu et. al., Proc. MEMS 2012, pp.784─787（2012）（６）N. Kiga et. al., Proc. MEMS 2012, pp.796─799（2012）

ほんだ・まさひと2001 年新潟大学大学院自然科学研究科修了。2001 年ニチコン（株）入社。2004 年オムロン（株）入社。現在オムロン（株） 技術・知財本部 PMEMS プロジェクト。2011 年よりグリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクトに従事。

田中 純一
たなか・じゅんいち（正員）2004 年早稲田大学大学院修了。2004 年オムロン（株）入社。現在
オムロン（株） 技術・知財本部 PMEMS プロジェクト。2011 年よりグリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクトに従事。

電学誌，133 巻 4 号，2013 年

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