| 研究課題/領域番号 |
16K06391
|
|---|
| 研究機関 | 東京電機大学 |
|---|
研究代表者 |
原 和裕 東京電機大学, 工学部, 教授 (80112879)
|
|---|
| 研究分担者 |
山口 富治 東京電機大学, 工学研究科, 助教 (20579768)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| キーワード | 環境計測センサ / 有機系浮遊物質 / MEMSデバイス / PM2.5 / ハウスダスト |
|---|
| 研究実績の概要 |
加熱された金属酸化物薄膜表面で、有機系浮遊粒子が接触燃焼することに伴い、薄膜の電気伝導が変化するという新規な原理を利用して、PM2.5、PM0.5、ハウスダスト、空中浮遊菌等の有機系浮遊粒子をリアルタイムで検出するセンサのプロトタイプを開発することに成功した。
センサの要素として、シリコン基板上の絶縁物薄膜（ダイヤフラム）上に、金属酸化物の薄膜を堆積した検出部と、同様なシリコン基板上の絶縁物薄膜（ダイヤフラム）上に、薄膜を加熱するためのヒータを作製したヒータ部が必要であり、僅かな空隙を隔てて両者を向かい合わせることにより新規なセンサを組み立てた。
センサ膜は原理的に約10μｍ以下に微細化する必要があるので、CADソフトを用いて微細なパターンの設計を行い、ホトマスクを外注した。そして、スパッタリング法によるセンサ膜、ヒータ膜、絶縁膜、保護膜等の堆積後、作製したホトマスクを用いて、ホトリソグラフィープロセスによる微細加工を行った。これらの作製技術は、MEMS技術に基いている。
このように作製したセンサを用い、有機系浮遊粒子としてPM2.5およびハウスダストを用いて検出実験を行った。その結果、検出された粒子の大きさに対応した電気伝導の変化、立上り時間、立下がり時間が観測されるだけでなく、その成分の違いに対応した特徴的な電気伝導の応答が得られた。これらの応答パターンから、粒子の大きさだけでなく、その成分についての情報が得られることが明らかになった。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の研究計画通り、CADソフトを用いてセンサを作製する上で必要なパターン計12種類の設計を行い、そのデータに基づいたホトマスクの外注を行った。また、スパッタリング法によりセンサ膜およびヒータ膜の他に、絶縁膜や保護膜、接着膜を堆積した後、作製したホトマスクを用いて、ホトリソグラフィープロセスによる上記の膜の微細加工を行い、センサのプロトタイプを作製した。
このようにして作製したセンサを用い、ディーゼルエンジンから排出された微粒子（DPM）およびハウスダストに対して、検出実験を行った。その結果、微粒子1粒がセンサ膜に到達するごとに、パルス的な電気伝導の変化が得られ、それらが検出可能であることが明らかになった。また、電気伝導の変化幅、立上り時間、立下がり時間は粒子のサイズに対応していることから、粒子サイズの識別の可能性が示された。
また、過去に行った実験では、花粉やカビの胞子に対して、電気伝導度がパルス的に増加する応答が見られたが、DPMに対しては、硫酸塩を含む微粒子に対して、電気伝導度が一旦減少した後に、増加するという過去の結果と異なる応答パターンが観測された。したがって、このパターンから、浮遊粒子の成分についての情報も得られる可能性があるという新たな知見が得られた。
|
| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、検出対象とする有機系浮遊粒子状物質のサイズに対応したさまざまな空隙を持つセンサの作製を行う。これと同時に、サイズの異なるポリスチレンビーズを用いて検出実験を行い、粒子サイズとセンサ応答の関係を調べ、センサの検量線を作製し、より定量的な計測を可能にする。
また、より微細なサイズのPM0.5に対してのセンサ応答を調べ、それらの検出およびサイズの識別の可能性を調べる。さらに、黄砂に有機物が付着する可能性があることから、それらを採取してセンサ応答を調べる。一方、アレルギーや肺の病気の原因となる空中浮遊菌を各種入手して、それらに対するセンサ応答を調べ、検出の可能性について明らかにする。
さらに、粒子を含む空気の流れを考慮した新たな構造のセンサを作製するため、CADによるマスクパターンを新たに設計し、そのデータに基づきホトマスクを外注する。そのホトマスクを用いて、新規なセンサを作製し、各種の有機系浮遊粒子に対する応答を調べる。それらの結果により、センサを実用化に近づける。
一方、検出対象とセンサの応答パターンの関係を整理し、それらの間の関係を明確にした上で、センサ応答から粒子サイズや成分、その濃度を求めるための電子回路やソフトウェアの開発を進める。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
研究計画にしたがって、研究の推進に必要なホトマスク、パーティクルカウンター、シリコンウェハ、ホトレジスト、乳鉢、ポリスチレンビーズ等を購入したが、10円が残額として生じた。
|
| 次年度使用額の使用計画 |
残額の10円を含め、次年度に有効に使用していく。具体的には、ホトマスク、シリコンウェハ、試薬、ガラス器、菌株等の物品の購入のために使用する。
|
