奥林巴斯开发聚合物制VOC传感器

来源：塑胶五金网发布时间：2015-10-08 17:51:42点击率：

　　塑胶五金网讯：VOC(挥发性有机化合物)是工厂普遍使用的有机溶剂。为了降低其在厂房内的浓度，现在大多采用通风空调不间断运转的方法。如果能够检测出有机溶剂的浓度，就有望优化空调的运转时间，大幅节约能源。日本的NMEMS技术研究机构、新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的合作研究事业“绿色传感器网络系统技术开发项目”(2011年度～2014年度)，开发出了通过无线传感器网络检测有机溶剂、从而控制空调的技术。开发这项技术的奥林巴斯的白石直规，在该项目的终成果报告会(2月26日举办)上介绍了该技术。本文就来介绍一下白石的题为“传感器网络用VOC浓度传感器的开发”的演讲内容。

　　VOC是有机溶剂的统称，大量吸入可能危害健康，因此受到法律管制。

　　对于工厂来说，VOC是必需物质。印刷工厂和半导体工厂等要使用VOC作为溶剂，在石油工厂中，石油本身就含有VOC。工厂一般使用由泵和风扇组成的排气系统，使环境中的VOC浓度保持在容许浓度以下。

　　容许浓度是1天8小时持续暴露在VOC环境中，也不会影响人体健康的水平。

　　但工厂的困扰是：在通过维持VOC浓度等保证施工人员安全的同时，还要降低运转成本。

　　在大限度使用VOC时，目前的排气系统会在能够将作业环境的VOC浓度控制在容许浓度以下的设定下工作，不间断地以固定流量排气。

　　如果改变运转方式，只在预计VOC浓度可能超过容许浓度时以需要的排量运转，在其他时间减少排量，这样就能既保证安全、又使VOC浓度持续低于一定水平。

　　例如，将泵和风扇的使用控制在可确保安全的限度，便能够有效降低用电量和使用成本。

　　因此，白石等人认为，只要不是始终要以大浓度利用VOC的环境，就可以利用传感器监控工厂环境，减少泵和风扇的使用，以降低工厂排气系统的功耗。

　　以节能为目的的检测方法

　　为了在确保工厂安全的同时降低功耗，奥林巴斯考虑到工厂的功耗、维护费和传感器的引进成本，开发出了组合使用太阳能电池、无线终端的无线传感器网络用VOC传感器。

　　这种传感器不仅具备体积小和低功耗的特点，还实现了低环境负荷的制作工艺。传感方式是从众多方法中选出的。

　　使用氢火焰和紫外线等检测离子化的VOC的电荷的方法，利用光的反射和折射检测VOC吸附的高分子膜的厚度，或折射率的变化的方法都因为构成要素多，不适合小型化，没有得到采用。

　　还有一种方法是使用金属氧化物半导体，观察因为表面的氧气与VOC发生反应而发生改变的半导体的电阻值。这种方法为了在半导体的表面保持补充氧气的状态，需要使用加热器加热，因此不适合低功耗化，也没有得到采用。

　　终采用的方法是，检测吸附VOC产生的振子共振频率的变化。这种方式适合实现小型化、低功耗化。

　　奥林巴斯使用聚合物，开发出了这种共振式VOC浓度传感器(图4)。利用聚合物制成了振子、感应膜、振动检测部件等3个构件。

　　感应膜吸附VOC后，振子的共振频率将发生变化。振动检测构件负责检测变化，无线收发检测数据。这些构件使用太阳能电池驱动。

　　通过聚合物成型制造振子

　　共振式VOC浓度传感器的性能取决于共振频率和Q值(表示振动状态的数值)。重点是聚合物制成的谐振器，能否达到工厂使用的共振式VOC浓度传感器的振子要求的性能。振子要求共振频率达到500kHz以上，Q值达到100以上。

　　在确立了利用热压印制作作为振子的小型悬臂的工艺后，奥林巴斯首先评估了制造出的振子。该工艺可以成型长度为500μm、厚度为10μm的小型悬臂。而且，聚合物制成的谐振器使共振频率达到了500kHz以上，Q值达到了100以上。

　　作为振子的悬臂由聚碳酸酯制成，振动检测构件由PVDF(聚偏氟乙烯)制成，感应膜由PBD制成。

　　使用该传感器，可以在流量为100m、180秒的条件下，检测出甲苯、辛烷和乙醇的容许浓度。

　　作为组合了无线通信、太阳能电池的终端，这种传感器在工厂的环境下接受了实际的检验(图7)。尺寸为20mm×50mm×30mm，平均功耗只有30μW。

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