東芝研究開發中心先進元件研究所後端元件技術部門的研究團隊於6月26日宣佈，針對含有二氧化碳、氫氣、一氧化碳等多種氣體的氣體混合物，開發出了可即時對每種氣體同時高速測定的小型感測技術。與傳統技術的氣體色層分離法相比，實施了在模組體積等比縮小到200分之一以下的同時，監測速度提高了150倍以上。研究人員使用原型機證明了可以同時測量上述三種氣體。東芝力爭在2026年投入實用，爲日本2050年實施碳中和目標做出貢獻。
東芝試製的原型機（供圖：東芝研究開發中心先進元件研究所後端元件技術部門）
在對實施碳中和至關重要的對CO2進行循環利用的CO2資源化技術中，爲了高效地進行資源化，需要即時監測反應程序中氣體的成分和濃度。
而在氣體反應的程序中，除了CO2外，還會產生其他氣體和水蒸汽等副產物，使得氣體處於混合狀態。傳統技術氣體色層分離法基於其原理，需要長柱進行氣體分離，因此裝置體積大，且測量需要數分鐘的時間，存在無法即時監測的課題。
對此，此次研究團隊的目標是用無柱的氣體感測器來進行檢測。
首先，研究人員考察了各種氣體感測器的可用性，注意到了具有耐毒性（對氣體的耐性）高的熱導型感測器。熱導型感測器是根據各種氣體特有的熱導率，透過測量感測器部件的膜溫度變化來測量氣體。
熱導型感測器通常只能測量兩種氣體混合物，針對這一情況設計了一種使用兩個不同靈敏度的熱導型感測器元件的方法。透過開發根據各感測器的輸出和各自的預先校準曲線的反函數求除氣體濃度的演算法，實施了多種氣體的檢測。
此外，研究人員還利用獨特的MEMS技術，成功在指尖大小的超小型晶片上一次性形成多個熱導型氣體感測器。並製作了一臺安裝了各氣體感測器、導入氣體用噴嘴以及專用電路的原型機。
原型機尺寸約爲106平方釐米，等比縮小了到了傳統氣體色層分離法平均尺寸的200分之一以下。
爲了驗證在實際環境中的性能，研究人員安裝了將CO2資源化技術中設想的CO2電解生成CO的單元，並同時測量了加溼狀態下的CO2、H2、CO三種氣體混合物中各氣體成分的濃度。
結果顯示，測量時間爲1.7秒，與傳統技術的氣體色層分離法相比，可以以150倍的速度準確測量各種氣體的濃度。
CO具有高毒性，但由於熱導型感測器不使用反應膜，因此具有高耐性，實際上可以在沒有影響的情況下進行監測。
今後將基於此前的結果，最適化感測器的結構和演算法，並進一步進行驗證實驗，力爭在2026年投入實用。對於測量超過三種以上的復合氣體，噪音的增加是還需要解決的一個課題，但也有助於獲取高可信度的碳足跡資料。
此外，東芝計劃將該技術應用於單體氣體感測，有望爲檢測氫氣泄漏、監測室内空氣、透過呼吸氫監測腸道環境等方面做出貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
