欧姆龙开发使用离子液体的二氧化碳浓度检测技术(图文)
很多工厂、办公室和店铺都要将室内的二氧化碳浓度降到一定值以下，因此要经常开着空调。通过检测二氧化碳浓度减少空调的运转时间，就可以实现节能。 欧姆龙开发出了有助于节能的传感技术。以下内容来自负责该技术开发的本多祐仁的演讲，演讲主题是“低功耗二氧化碳浓度传感器的开发”。
在大型生产工厂、写字楼和店铺等设施内，为了避免影响身体健康，日本《设施管理法》规定必须保持舒适的室内环境（图1）。
图1：将室内的二氧化碳浓度降到1000ppm以下
规定的标准之一就是二氧化碳浓度。对于大型生产工厂、写字楼和店铺等，要求室内二氧化碳浓度必须控制在1000ppm以下。
无人环境的大气中的二氧化碳浓度一般为400ppm左右。二氧化碳浓度达到1200ppm，空气质量会变差。如果达到5000ppm，就会影响健康。
实际上，掌握二氧化碳浓度并将其控制在1000ppm以下迟迟未能实现（图2）。主要原因在于二氧化碳传感器。
图2：现有传感器无法连续测量二氧化碳浓度
现有的二氧化碳传感器分为红外吸收式和固体电解质式两种。红外吸收式利用光源，固体电解质利用加热器，耗电量都比较大。例如，固体电解质式需要加热至近400℃进行测量。
由于耗电量大，想在工厂、办公室和店铺内测量二氧化碳浓度时，很难作为无线传感器终端使用，也难以定期监测。
例如，使用目前市场上销售的二氧化碳传感器中耗电量较低的产品，利用4节5号电池连续驱动，约1天就需要更换电池。因此，这些产品平并不适合持续测量二氧化碳浓度的用途。
因此大多采取的做法是，无论是否有人也无论当时的二氧化碳浓度如何变化，都要每隔一定时间通过空调换气，从而将二氧化碳浓度保持在1000ppm以下。可以说，这是比较浪费能源的做法。
从检测方法进行改进
作为能连续测量的二氧化碳浓度传感器，欧姆龙开发出了无需像原来那样利用光源和加热器等大耗电量机制的检测方法（图3）。
图3：使用吸附二氧化碳的离子液体
新技术利用了能出色吸收二氧化碳的离子液体。离子液体还具备只有离子没有溶剂、导电性高等特点。由于稳定性较高，作为传感器，其电气特性和化学特性均比较稳定，而且因为熔点和沸点高，具备耐300℃以上高温的不燃性等。
使用离子液体的二氧化碳浓度传感器通过吸附气体产生的电气特性变化来检测二氧化碳浓度（图4）。无需利用光源和加热器等，与以往的二氧化碳浓度传感器相比，不但耗电量低，还能减小尺寸、实现高速响应性和低成本。
图4：根据吸附二氧化碳后电气特性发生的变化计算
采用的离子液体为通用产品，并非特殊产品。目的是实现能轻松设置的传感器终端。传感器终端上的离子液体的状态介于蜂蜜和色拉油之间，放在电路板上也不会流出来。
终端尺寸为2cm×5cm，传感器元件尺寸在1cm×1cm以下。平均耗电量不到100μW，测量范围为300～3000ppm。分辨率与现有二氧化碳浓度传感器相同，为100ppm。由于是在室内测量，设想使用温度范围为5～45℃。
图5：构造简单，可轻松测量
传感器元件在玻璃基板和硅晶圆上形成（图5）。在基板上形成的电极上滴下离子液体。利用两个端子测量阻抗，获得电气特性。根据这样获得的离子液体的特性变化计算二氧化碳浓度。构造简单，能轻松测量。
以前，只有在高温高压条件下才能利用离子液体吸附二氧化碳。因此无法在写字楼等实用环境下测量，而此次通过实现在常温常压环境下吸附二氧化碳，在写字楼等环境也能测量。
另外，传感器元件在环境中的二氧化碳浓度降低时，会释放吸附的二氧化碳。
本多等人在会议室实际验证了测量功能（图6）。比较了新开发的传感器和现有二氧化碳浓度传感器的测量结果。确认得到了基本相同的结果。
图6：在会议室验证了测量功能
新开发的传感器耗电量非常低（图7）。现有二氧化碳浓度传感器测量时的耗电量高达40mW以上。而新开发的二氧化碳浓度传感器只有0.4mW。传感的精度相同，连续检测时耗电量只有现有产品的八分之一。
图7：传感精度相同，耗电量只有八分之一
新型传感器测量时的耗电量为43μW，发送信息时的耗电量为61μW，传感器终端的整体耗电量约为100μW（图8）。
图8：加上发送信息时的耗电量，终端整体耗电量为100μW
图9：还可用于植物工厂等的二氧化碳测量
新开发的传感器还能用来测量植物工厂的二氧化碳浓度（图9）。另外，预计2020年前后，二氧化碳浓度传感器将配备于平板电脑和智能手机。可能是想到了这些领域，三星电子等已向欧姆龙咨询了相关技术。
