VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)是工廠普遍使用的有機(jī)溶劑。為了降低其在廠房內(nèi)的濃度，現(xiàn)在大多采用通風(fēng)空調(diào)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的方法。如果能夠檢測(cè)出有機(jī)溶劑的濃度，就有望優(yōu)化空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，大幅節(jié)約能源。日本的NMEMS技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的合作研究事業(yè)“綠色傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目”(2011年度～2014年度)，開發(fā)出了通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)有機(jī)溶劑、從而控制空調(diào)的技術(shù)。開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的奧林巴斯的白石直規(guī)，在該項(xiàng)目的最終成果報(bào)告會(huì)(2月26日舉辦)上介紹了該技術(shù)。本文就來介紹一下白石的題為“傳感器網(wǎng)絡(luò)用VOC濃度傳感器的開發(fā)”的演講內(nèi)容。
VOC是有機(jī)溶劑的統(tǒng)稱，大量吸入可能危害健康，因此受到法律管制。
對(duì)于工廠來說，VOC是必需物質(zhì)。印刷工廠和半導(dǎo)體工廠等要使用VOC作為溶劑，在石油工廠中，石油本身就含有VOC。工廠一般使用由泵和風(fēng)扇組成的排氣系統(tǒng)，使環(huán)境中的VOC濃度保持在容許濃度以下。
容許濃度是1天8小時(shí)持續(xù)暴露在VOC環(huán)境中，也不會(huì)影響人體健康的水平。
但工廠的困擾是：在通過維持VOC濃度等保證施工人員安全的同時(shí)，還要降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。
在最大限度使用VOC時(shí)，目前的排氣系統(tǒng)會(huì)在能夠?qū)⒆鳂I(yè)環(huán)境的VOC濃度控制在容許濃度以下的設(shè)定下工作，不間斷地以固定流量排氣。
如果改變運(yùn)轉(zhuǎn)方式，只在預(yù)計(jì)VOC濃度可能超過容許濃度時(shí)以需要的排量運(yùn)轉(zhuǎn)，在其他時(shí)間減少排量，這樣就能既保證安全、又使VOC濃度持續(xù)低于一定水平。
例如，將泵和風(fēng)扇的使用控制在可確保安全的最低限度，便能夠有效降低用電量和使用成本。
因此，白石等人認(rèn)為，只要不是始終要以最大濃度利用VOC的環(huán)境，就可以利用傳感器監(jiān)控工廠環(huán)境，減少泵和風(fēng)扇的使用，以降低工廠排氣系統(tǒng)的功耗。
以節(jié)能為目的的檢測(cè)方法
為了在確保工廠安全的同時(shí)降低功耗，奧林巴斯考慮到工廠的功耗、維護(hù)費(fèi)和傳感器的引進(jìn)成本，開發(fā)出了組合使用太陽能電池、無線終端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用VOC傳感器。
這種傳感器不僅具備體積小和低功耗的特點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了低環(huán)境負(fù)荷的制作工藝。傳感方式是從眾多方法中選出的。
使用氫火焰和紫外線等檢測(cè)離子化的VOC的電荷的方法，利用光的反射和折射檢測(cè)VOC吸附的高分子膜的厚度，或折射率的變化的方法都因?yàn)闃?gòu)成要素多，不適合小型化，沒有得到采用。
還有一種方法是使用金屬氧化物半導(dǎo)體，觀察因?yàn)楸砻娴难鯕馀cVOC發(fā)生反應(yīng)而發(fā)生改變的半導(dǎo)體的電阻值。這種方法為了在半導(dǎo)體的表面保持補(bǔ)充氧氣的狀態(tài)，需要使用加熱器加熱，因此不適合低功耗化，也沒有得到采用。
最終采用的方法是，檢測(cè)吸附VOC產(chǎn)生的振子共振頻率的變化。這種方式最適合實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗化。
奧林巴斯使用聚合物，開發(fā)出了這種共振式VOC濃度傳感器(圖4)。利用聚合物制成了振子、感應(yīng)膜、振動(dòng)檢測(cè)部件等3個(gè)構(gòu)件。
感應(yīng)膜吸附VOC后，振子的共振頻率將發(fā)生變化。振動(dòng)檢測(cè)構(gòu)件負(fù)責(zé)檢測(cè)變化，無線收發(fā)檢測(cè)數(shù)據(jù)。這些構(gòu)件使用太陽能電池驅(qū)動(dòng)。
通過聚合物成型制造振子
共振式VOC濃度傳感器的性能取決于共振頻率和Q值(表示振動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值)。重點(diǎn)是聚合物制成的諧振器，能否達(dá)到工廠使用的共振式VOC濃度傳感器的振子要求的性能。振子要求共振頻率達(dá)到500kHz以上，Q值達(dá)到100以上。
在確立了利用熱壓印制作作為振子的小型懸臂的工藝后，奧林巴斯首先評(píng)估了制造出的振子。該工藝可以成型長度為500μm、厚度為10μm的小型懸臂。而且，聚合物制成的諧振器使共振頻率達(dá)到了500kHz以上，Q值達(dá)到了100以上。
作為振子的懸臂由聚碳酸酯制成，振動(dòng)檢測(cè)構(gòu)件由PVDF(聚偏氟乙烯)制成，感應(yīng)膜由PBD制成。
使用該傳感器，可以在流量為100sccm、180秒的條件下，檢測(cè)出甲苯、辛烷和乙醇的容許濃度。
作為組合了無線通信、太陽能電池的終端，這種傳感器在工廠的環(huán)境下接受了實(shí)際的檢驗(yàn)(圖7)。尺寸為20mm×50mm×30mm，平均功耗只有30μW。
