VOC(揮發性有機化合物)是工廠普遍使用的有機溶劑。為了降低其在廠房內的濃度，現在大多采用通風空調不間斷運轉的方法。如果能夠檢測出有機溶劑的濃度，就有望優化空調的運轉時間，大幅節約能源。日本的NMEMS技術研究機構、新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的合作研究事業“綠色傳感器網絡系統技術開發項目”(2011年度～2014年度)，開發出了通過無線傳感器網絡檢測有機溶劑、從而控制空調的技術。開發這項技術的奧林巴斯的白石直規，在該項目的最終成果報告會(2月26日舉辦)上介紹了該技術。本文就來介紹一下白石的題為“傳感器網絡用VOC濃度傳感器的開發”的演講內容。
VOC是有機溶劑的統稱，大量吸入可能危害健康，因此受到法律管制。
對于工廠來說，VOC是必需物質。印刷工廠和半導體工廠等要使用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扇組成的排氣系統，使環境中的VOC濃度保持在容許濃度以下。
容許濃度是1天8小時持續暴露在VOC環境中，也不會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，還要降低運轉成本。
在最大限度使用VOC時，目前的排氣系統會在能夠將作業環境的VOC濃度控制在容許濃度以下的設定下工作，不間斷地以固定流量排氣。
如果改變運轉方式，只在預計VOC濃度可能超過容許濃度時以需要的排量運轉，在其他時間減少排量，這樣就能既保證安全、又使VOC濃度持續低于一定水平。
例如，將泵和風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，白石等人認為，只要不是始終要以最大濃度利用VOC的環境，就可以利用傳感器監控工廠環境，減少泵和風扇的使用，以降低工廠排氣系統的功耗。
以節能為目的的檢測方法
為了在確保工廠安全的同時降低功耗，奧林巴斯考慮到工廠的功耗、維護費和傳感器的引進成本，開發出了組合使用太陽能電池、無線終端的無線傳感器網絡用VOC傳感器。
這種傳感器不僅具備體積小和低功耗的特點，還實現了低環境負荷的制作工藝。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離子化的VOC的電荷的方法，利用光的反射和折射檢測VOC吸附的高分子膜的厚度，或折射率的變化的方法都因為構成要素多，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體，觀察因為表面的氧氣與VOC發生反應而發生改變的半導體的電阻值。這種方法為了在半導體的表面保持補充氧氣的狀態，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，檢測吸附VOC產生的振子共振頻率的變化。這種方式最適合實現小型化、低功耗化。
奧林巴斯使用聚合物，開發出了這種共振式VOC濃度傳感器(圖4)。利用聚合物制成了振子、感應膜、振動檢測部件等3個構件。
感應膜吸附VOC后，振子的共振頻率將發生變化。振動檢測構件負責檢測變化，無線收發檢測數據。這些構件使用太陽能電池驅動。
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(表示振動狀態的數值)。重點是聚合物制成的諧振器，能否達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到500kHz以上，Q值達到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到了500kHz以上，Q值達到了100以上。
作為振子的懸臂由聚碳酸酯制成，振動檢測構件由PVDF(聚偏氟乙烯)制成，感應膜由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境下接受了實際的檢驗(圖7)。尺寸為20mm×50mm×30mm，平均功耗只有30μW。
