奥林巴斯开发聚合物制VOC传感器,大幅减少通风空调运转时间
2015-10-01 09:39:13   来源:微迷   评论:0   点击:

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。

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,在该项目的最终成果报告会(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是挥发性有机化合物的统称,大量吸入可能危害健康,因此受到法律管制。

VOC是工厂必需的物质,但可能危害健康

VOC是工厂必需的物质,但可能危害健康

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。

在最大限度使用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最低限度,便能够有效降低用电量和使用成本。

因此,白石等人认为,只要不是始终要以最大浓度利用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。

VOC浓度的传感方式的比较

VOC浓度的传感方式的比较

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。

最终采用的方法是,检测吸附VOC产生的振子共振频率的变化。这种方式最适合实现小型化、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。利用聚合物制成了振子、感应膜、振动检测部件等3个构件。

使用聚合物制作VOC浓度传感器的3个构件

使用聚合物制作VOC浓度传感器的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。

振子、振动检测构件、感应膜这三部分使用的是不同的聚合物

振子、振动检测构件、感应膜这三部分使用的是不同的聚合物

使用该传感器,可以在流量为100sccm、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。尺寸为20 mm x 50 mm x 30 mm,平均功耗只有30μW。

相关热词搜索:VOC传感器

上一篇:气味传感器标准化,与智能手机联动的终端或只需几千日元
下一篇:气体传感器技术、市场及应用