东芝研究开发中心先进元件研究所后端元件技术部门的研究团队于6月26日宣布，针对含有二氧化碳、氢气、一氧化碳等多种气体的混合气体，开发出了可实时对每种气体同时高速测定的小型传感技术。与传统技术的气相色谱法相比，实现了在模块体积缩小到200分之一以下的同时，监测速度提高了150倍以上。研究人员使用原型机证明了可以同时测量上述三种气体。东芝力争在2026年投入实用，为日本2050年实现碳中和目标做出贡献。
东芝试制的原型机（供图：东芝研究开发中心先进元件研究所后端元件技术部门）
在对实现碳中和至关重要的对CO2进行再循环利用的CO2资源化技术中，为了高效地进行资源化，需要实时监测反应过程中气体的成分和浓度。
而在气体反应的过程中，除了CO2外，还会产生其他气体和水蒸汽等副产品，使得气体处于混合状态。传统技术气相色谱法基于其原理，需要长柱进行气体分离，因此装置体积大，且测量需要数分钟的时间，存在无法实时监测的课题。
对此，此次研究团队的目标是用无柱的气体传感器来进行检测。
首先，研究人员考察了各种气体传感器的可用性，注意到了具有耐毒性（对气体的耐性）高的热导型传感器。热导型传感器是根据各种气体特有的热导率，通过测量传感器部件的膜温度变化来测量气体。
热导型传感器通常只能测量两种混合气体，针对这一情况设计了一种使用两个不同灵敏度的热导型传感器元件的方法。通过开发根据各传感器的输出和各自的预先校准曲线的反函数求出气体浓度的算法，实现了多种气体的检测。
此外，研究人员还利用独特的MEMS技术，成功在指尖大小的超小型芯片上一次性形成多个热导型气体传感器。并制作了一台安装了各气体传感器、导入气体用喷嘴以及专用电路的原型机。
原型机尺寸约为106平方厘米，缩小了到了传统气相色谱法平均尺寸的200分之一以下。
为了验证在实际环境中的性能，研究人员安装了将CO2资源化技术中设想的CO2电解生成CO的单元，并同时测量了加湿状态下的CO2、H2、CO三种混合气体中各气体成分的浓度。
结果显示，测量时间为1.7秒，与传统技术的气相色谱法相比，可以以150倍的速度准确测量各种气体的浓度。
CO具有高毒性，但由于热导型传感器不使用反应膜，因此具有高耐性，实际上可以在没有影响的情况下进行监测。
今后将基于此前的结果，优化传感器的结构和算法，并进一步进行验证实验，力争在2026年投入实用。对于测量超过三种以上的复合气体，噪声的增加是还需要解决的一个课题，但也有助于获取高可信度的碳足迹数据。
此外，东芝计划将该技术应用于单体气体传感，有望为检测氢气泄漏、监测室内空气、通过呼吸氢监测肠道环境等方面做出贡献。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
