ガスセンサの作動原理と材料設計、高感度化、選択性の向上

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本セミナーでは、呼気、皮膚ガスを高精度かつ簡便に検知し、臨床・ヘルスケアに繋ぐ技術について解説いたします。

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プログラム

第1部 吸着燃焼式マイクロガスセンサの原理、特性と高感度化

(2022年3月9日 10:30〜12:00)

　マイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) を利用して作製した接触燃焼式マイクロガスセンサを応用することで、揮発性有機化合物 (VOC) に応答する吸着燃焼式マイクロガスセンサが得られる。 　本講座では、吸着燃焼式マイクロガスセンサの作動原理や基礎的なVOC応答特性を紹介するとともに、VOCを吸着・燃焼する触媒材料の設計法、応答メカニズム、応答特性の改善手法などについてお話しする。

  1. 吸着燃焼式マイクロガスセンサとは
    1. センサ構造と基本特性
    2. 他のガスセンサとの比較
  2. 吸着燃焼式マイクロガスセンサに適した材料設計
    1. コア (Au) /シェル (Pd) ナノ粒子の活用
    2. 貴金属/酸化物の共担持
    3. 熱伝導性の改善
  3. 吸着燃焼式マイクロガスセンサの高性能化に向けた研究開発動向
    1. 吸着特性・触媒活性
    2. 昇温脱離・昇温酸化特性
    3. 作動メカニズムの解明と高性能化への指針

第2部 ナノ材料を用いたガスセンサの開発とVOCの高感度検知

(2022年3月9日 13:00〜14:30)

　ガスセンサの高感度化には材料のサイズ・形状・表面状態の制御が重要である。 　本講演では、代表的なガスセンサ材料である酸化物半導体 (SnO2,ZnO,貴金属担持材料など) のナノ構造体 (ナノ粒子またはナノロッド) の合成と材料評価方法を説明し、センサデバイスの作製方法と特性評価方法、さらに応答メカニズムの解釈について最新の例を基に紹介する。

  1. 半導体ガスセンサについて
    1. 各種センサ材料と特性
    2. 基本的な応答メカニズム
    3. 粒子サイズ効果
  2. 酸化物ナノ構造体の合成
    1. ナノ粒子
    2. ナノロッド
    3. 貴金属担持
    4. 各種キャラクタリゼーション
  3. ガスセンサの特性評価方法
    1. デバイス作製方法
    2. 電気抵抗測定
    3. VOC発生方法
    4. 全自動化
    5. 紫外線による増感方法
  4. 応答メカニズムの解析
    1. オペランド測定方法
    2. 拡散反射赤外分光法
    3. ガスセルによる出口ガス分析
    4. 拡散反射紫外可視分光法

第3部 薄膜MEMSプラットフォームによる水素・CO2センサ技術とその応用

(2022年3月9日 14:45〜15:45)

水素・CO2は脱炭素社会において重要なガスであると共に、様々な現象を介して発生しており、センシング技術による応用は広い。本講座では,水素・CO2センシングの応用例について述べ,それらに求められる低消費電力,高速応答,高感度,広検出濃度範囲,高選択性,小型化を可能にする薄膜MEMS (Micro electro mechanical systems) プラットフォームによる水素・CO2センサ技術について解説する。 　本講座を通じて、サーフィスマイクロマシニングプロセスによる薄膜MEMS (Micro electro mechanical systems) ガスセンサ、特に水素・CO2センサの動作原理及びその応用例の最新動向に関する知識が習得できる。

  1. 水素・CO2センシングの応用
  2. 薄膜MEMSプラットフォームによる低消費電力水素・CO2センサ技術
  3. 容量型MEMS水素センサ技術
    1. 動作原理
    2. 高速応答を実現するPd系金属ガラスの検討
    3. 容量型MEMS水素センサの高感度化技術
  4. 熱伝導型MEMS水素・CO2センサ技術
    1. 動作原理
    2. 熱伝導型MEMS水素・CO2センサの高感度化技術
  5. 高感度・低消費電力の容量型MEMS水素センサを用いた火災検知技術

第4部 新規なMEMSガスセンサの開発

(2022年3月9日 16:00〜17:00)

　酸化物半導体や固体電解質を用いたガスセンサ、特に小型素子として注目されているMEMSセンサについて、最新の研究開発状況を紹介する。 　pptレベルの超高感度検出や超高選択性を実現するための材料設計指針、MEMS素子としての新しい駆動方法とその原理、新規な固体電解質を用いたMEMS酸素センサなど最先端技術を概説したい。

  1. ガスセンサの歴史とMEMS化
  2. 半導体ガスセンサの材料設計
    1. ベース材料の選択
    2. レセプタ機能
    3. トランスデューサ機能
    4. 利用効率
    5. 酸素吸着種
    6. 水蒸気の影響
    7. 三つの材料設計指針の融合によるppbレベルのガス検出
  3. MEMSセンサの駆動方法に特化した超高感度pptレベルのガス検出
  4. MEMSセンサにおける酸素吸着の増加による高感度化
  5. レセプタ機能と駆動方法を連携したMEMSガスセンサの超高選択性
  6. 新しい固体電解質ガスセンサの特徴
    1. 新しい酸化物イオン導電体の諸特性
    2. 新しい酸化物イオン導電体を用いたMEMS酸素センサの実用化に向けて
    3. 他のガス検知向けた取り組み

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