山中研HP http://www.material.tohoku.ac.jp/~hyoka/lab.html 物理学の常識を破る波動の発見と応用 超音波には、物体中を伝搬するバルク波と表面を伝搬する表面波があります。 普通の表面波は、伝搬するにつれて拡がって弱くなります。ところが、ボールの 表面で、ある条件で発生させた表面波は、拡がらずに同じ幅を保って伝搬を続 けます。その結果、赤道に沿って何100回も周回するという、不思議な現象を発 見しました。この現象を応用して、水晶のボールに電極を形成し、ガスによる感 応膜の変化を表面波で計測する、ボールSAWセンサーを開発しました。ガスの 有無による伝搬時間の差が小さく分かりにくい場合でも、100周後の伝搬時間 では、大きな差ができるので、検出感度が飛躍的に向上します。 方式 半導体(FET)センサ 電気抵抗型センサ 従来のSAWセンサ ボールSAWセンサ 水素検出濃度範囲 0.001%～10% 1%-100% 0.1%-100% 0.001-100% 応答時間 2s 5s >100 s 1s以下 各種水素ガスセンサの性能比較：従来は複数のセンサの組み合わせが必要 だった0.001%から100%まで5桁の濃度の水素検出を、はじめて単独のセン サで実現（上表）。高圧水素が存在する環境でも安全な唯一の水素ガスセン サとして、流量調節弁で実用化推進。 （共同研究先：凸版印刷（株）、ボールセミコンダクター（株）、（株）山武） 障害物に 当たらず、 ぐるぐる 回る。 1mm 音源 (超多重周回現象） 地震の表面波 拡がらずに周回する表面波 100m ワイドレンジ水素ガスセンサと応用例 平面SAWセンサ 差が分かりにくい ガス無 ガス有 ガス無 ガス有 1 周の伝搬時間 ボールSAWセンサ 差がはっきり分かる 100周の 伝搬時間 ボールＳＡＷガスクロの概念 天然ガス成分の分析 大都市近郊の 天然ガス掘削現場 (Fortworth,TX,USA) MEMS カラム Amplitude change (dB) 0 ボールSAWセンサと インピーダンス整合回路 キャリアガス ボンベ C7H16 C8H18 -2 -4 CH4+C2H6+C3H8 オープンチューブ MEMSカラム OT MEMS Column 0 C3H8 -1 CH4 パックドMEMSカラム Paced MEMS Column 5 10 C2H6 0 Time (min) consentration (%) オープンチューブMEMSカラム カラム ・流路断面 0.15×0. 24 mm2 ・内壁にポリジメチルシロキサンを塗布 ・高分子量のガスの分析に使用 5 cm ・流路断面 0.44×0.50 mm2 ・スチレンジビニルベンゼンの ビーズを充填 ・低分子量のガスの分離に使用 Amplitude change (dB) 試料 吸着剤 C7 H16 0.5 C8 H18 0.5 C7H16 -1 CH4+C2H6+C3H8 0 C8H18 オープン OT MEMSチューブ Column MEMSカラム C2H6 C3H8 -1 シックハウスガスの分析 カラム C3 H 8 33.0 40.1 68.7 68.9 0 3方バルブ ボールSAWガスクロマトグラフ パックドMEMSカラム C2 H 6 33.0 MCP calorific value (MJ/m3) WI 固定相 Amplitude change (dB) 試料 CH4 33.0 CH4 0 パックドMEMSカラム Paced MEMS Column 5 10 Time (min) 0 –2 –4 0 Benzene consentration (%) Toluene –1 CO2+C2H6+C3H8 オープンチューブMEMSカラム 5 Time (min) 10 –2 0 C3H8 MCP calorific value (MJ/m3) WI C2H6 パックドMEMSカラム CO2 5 Time (min) 10 CH4 88.6 C2 H 6 4.9 C3 H8 4.9 43.4 57.3 37.2 様々なガスを 短時間に分析可能 C7 H16 0.8 C8H18 0.7
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