センサー工学　講義

センサー工学　講義 ３年次前期２単位選択担当：　玉野　和保（第６巻）

単元11（1/13） 第11単元　放射線センサ • 講義の意味と位置づけ • 放射線の分類 • 透過性、放射化性の利用 • X線、γ線センサ、半導体紫外線センサの構造と計測原理 • 電離箱、GM管、Scintillation Counterの構造と計測原理 • 講義で解説すること • 放射線の分類 • 放射線の計測応用へのニーズ • 透過性を利用した計測 • X線、γ線の利用 • 電離箱、GM管、Scintillation Counter、半導体紫外線センサ

単元11（2/13） 放射線とは • 可視光より短い波長の電磁波：紫外線：　300nm～30nm X 線：　　　30 nm ～ 1 nm γ線：　　　1 nm ～0.01fm 電子線（β線） α線、中性子線、陽子線、重荷電粒子線など • 放射線を放出する物質の利用：放射性核種：　60Co、85Krなど、放射性同位元素　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Radioactive Isotope）

単元11（3/13） 放射線の計測応用へのニーズ • 透過性：　　　　　　　Ｘ線、γ線などの透過性の強い性質を利用 • 放射化性：成分分析：　　　　　　　物質の放射性物質化（同位体化：アイソトープ化）　　　　　　による成分分析トレーサ：放射性物質（同位体）の移動による　　　　　　　　　　　　　　　物質移動の測定

単元11（4/13） 透過性を利用した計測（X-線の発生）アノード材料：　　　Cuブロック CuのKシェルからのX線放射

単元11（5/13） X線カメラ浜松ホトニクス社製

単元11（6/13） X線ビデオカメラの特性

単元11（7/13） X線干渉計短波長・精密干渉計光の1600倍の感度を実現高感度表面粗さ計の校正に利用

単元11（8/13） γ線センサ計測原理 • 241Am、137Cs、60Coを線源 • 光電効果、コンプトン効果、電子対生成利用 • 電離箱・GM管で検出計測応用 • 高い透過性利用：　鋼鉄厚板、黄銅厚板の厚さ測定 • γ線CT • γ線サーモメータ： γ線吸収発熱でγ線自体を計測 • γ線密度計

単元11（9/13） 放射線の検出器（電離箱）

単元11（10/13） 気体の放射線による電離特性

単元11（11/13） 放射線の検出器（Geiger-Muｌler計数管）・・

単元11（12/13） 放射線の検出器（Scintillation Counter)

単元11（13/13） 半導体紫外線センサ　　可視光pn接合　　　Siフォトセンサを基本紫外線を0.1μm以下の薄いpn接合で透過性を強めている。応用例　　　　殺菌灯管理、　　　　　太陽の紫外線測光　　　　　　　　　など

単元12（1/18） 第12単元　成分センサ（ガスセンサ） • 講義の意味と位置づけ • ガス計測の生活・産業上でのニーズ • ガスセンサの種類と動作原理・構造 • 講義で解説すること • ガスセンサのニーズ • 各種のガスセンサの原理、特徴、応用　不特定ガスセンサと、特定ガスセンサ

単元12（2/18） ガスセンサのニーズ • ガスの定性計測：　　　　　ガス漏れ（セキュリティ）　　　　　有毒ガスの検知　　 • ガスの定量計測：ガス成分の濃度計測・制御への応用　　　　　（たとえば、自動車の排気ガスの制御）

単元12（3/18） ガスセンサの分類 • 不特定ガスセンサ：SnO2ガスセンサ　　　接触燃焼式ガスセンサ　　　　　　　　　　　　　電界効果型ガスセンサ　　　　　　　　　　　　　熱伝導型ガスセンサ • 特定ガスセンサ：　ジルコニア酸素センサ　　　　　　　　　　　　　ガルバニ電池型酸素ガスセンサ　　　　　　　　　　　　　定電位電解型COガスセンサ　 NOxセンサ

単元12（4/18） 不特定ガスセンサ SnO2ガスセンサ接触燃焼式ガスセンサ電界効果型ガスセンサ熱伝導型ガスセンサ

単元12（5/18） SnO２ガスセンサの動作原理Ｎ型多結晶半導体SnO2焼結体の結晶粒界表面準位に電子がトラップガス分子の吸着ポテンシャル障壁が発生酸化性ガス、例えばO2は電子を取り去るポテンシャル障壁の増大電気抵抗の増加

単元12（6/18） SnO２ガスセンサの構造と計測回路

単元12（7/18） 接触燃焼式ガスセンサの動作原理と構造 Pt、Pdなどの触媒を含むアルミナを白金線コイルに流れる電流で200～400℃で加熱プロパン、都市ガス、水素ガス、アルコールなど燃焼性ガス分子の吸着接触燃焼による反応熱で温度が上昇白金線の電気抵抗が増加

単元12（7/18） 接触燃焼式ガスセンサの動作原理と構造 • 特　徴 • センサ出力がガス濃度に比例 • 検出精度が高い • 周囲温度、湿度による影響が小さい

単元12（8/18） 電界効果型ガスセンサの動作原理と構造 Pd金属のFETのゲート水素ガス分子がゲート金属へ吸着 Pd表面で水素分子が水素原子に解離水素原子がPd中に拡散 SiO2表面に吸着 SiO2表面に双極子層を形成ソース・ドレイン間のチャンネルコンダクタンスが変化

単元12（9/18） FET湿度センサ（単元５スライド（9/10）の再掲） FETのゲートにSiやTiなどの酸化物を積層酸化物が水分吸着で電荷を発生し、ゲートの電位が変化湿度変化を増幅できるので感度が高いゲートのガス吸着で特性が安定しない

単元12（10/18） 熱伝導型ガスセンサの動作原理

単元12（10/18） 熱伝導型ガスセンサの動作原理 • 特　徴 • 　熱伝導率の差が大きい気体の組み合わせは感度が高い • 　ガス成分が３種類混ざると特定が困難 • 　　選択性が低い • 　ガス流量の変化で誤差を生じる

単元12（11/18） 特定ガスセンサジルコニア酸素センサガルバニ電池型酸素ガスセンサ定電位電解型COガスセンサ　 NOxセンサ

単元12（12/18） ジルコニア酸素センサの動作原理酸素イオンが濃度差で固体内に移動起電力として出力ジルコニア（ZrO2）＋イットリア（Y2O3）電池を形成

単元12（13/18） ジルコニア酸素センサの応用

単元12（14/18） 安定型ジルコニア酸素センサ CSZ （Calsia Stabilized Zirconia）ジルコニア＋CaO 酸素イオンが濃度差で固体内に移動電池を形成起電力として出力

単元12（15/18） ガルバニ電池型酸素ガスセンサ酸素イオンがテフロン膜を透過起電力として出力起電力は酸素濃度に比例水酸化カリウム（KOH）＋鉛の陽極、白金の陰極電池を形成

単元12（16/18） 定電位電解型ＣＯガスセンサ硫酸溶液中の Pt製アノード・カソード電極間を 900～1500mVに保つ COガスがテフロン膜を透過し溶液中に溶解化学反応で電子が発生アノード・参照電極間に CO濃度に比例した電流が流れる COガス、NOｘ、H2S、シラン、ホスフィン、アルシンなどの有毒ガスの検出に利用

単元12（16/18） 定電位電解型ＣＯガスセンサ硫酸溶液中の Pt製アノード・カソード電極間を 900～1500mVに保つ COガスがテフロン膜を透過し溶液中に溶解化学反応で電子が発生アノード・参照電極間に CO濃度に比例した電流が流れる

単元12（17/18） NOｘセンサ有機半導体膜にガス分子が吸着して生じるキャリヤの変化を利用

単元12（18/18） 新ガスセンサへの挑戦 • 圧電センサを利用：　圧電素子に吸着したガス分子　　　　　　　　　　　　　　　　　　が振動周波数を変化 • 赤外線吸収を利用：　ガス分子の赤外光分光特性

謝　辞 第11、第12単元のコンテンツ作成にあたり、授業の効果的進展のため以下の文献からの写真図表を多大に引用させて頂いた。厚く感謝申し上げます。 • 　千原国宏：　センサ　－変換原理からコンピュータ応用計測まで－、コロナ社 • 　國岡昭夫：　センサの上手な使い方、工業調査会 • J.Fraden：　Handbook of Modern Sensors、Springer • 片岡照栄監修、センサ用語辞典編集委員会編：　センサ用語辞典、情報調査会 • 　森村正直編著：　先端センシング技術、計測自動制御学会 • 　Ｈｕｇｈ D. Young: Fundamentals of Waves, Optics, and Modern Physics、　　　　　　　　　　　　　　　　　McGraw-Hill • 　塩山忠義：　センサの原理と応用、森北出版 • 　山崎弘郎：　センサ工学の基礎、昭晃堂 • 清野次郎、近藤昭治：　センサ工学入門、森北出版

センサー工学 講義