IoT（モノのインターネット）や人工知能（AI）といった技術の急速な発展に伴い、「電気五感」とも呼ばれる重要なセンシングデバイスであるガスセンサーは、かつてない発展のチャンスを迎えています。当初は工業用有毒ガスや有害ガスのモニタリングに用いられていましたが、現在では医療診断、スマートホーム、環境モニタリングなどの幅広い分野に応用され、ガスセンサー技術は単一機能からインテリジェント化、小型化、多次元化へと大きく変貌を遂げています。本稿では、ガスセンサーの技術的特徴、最新の研究進捗状況、そして世界的な応用状況を総合的に分析し、特に中国や米国などの国におけるガスモニタリング分野の発展動向に焦点を当てます。
ガスセンサーの技術的特徴と開発動向
ガスセンサーは、特定のガスの体積分率を対応する電気信号に変換する変換器として、現代のセンシング技術において不可欠かつ重要な部品となっています。この種の装置は、ガスサンプルを検知ヘッドを通して処理し、通常、不純物や干渉ガスの除去、乾燥または冷却処理などの工程を経て、最終的にガス濃度情報を測定可能な電気信号に変換します。現在、市場には半導体式、電気化学式、触媒燃焼式、赤外線ガスセンサー、光イオン化（PID）ガスセンサーなど、さまざまなタイプのガスセンサーが存在します。それぞれに独自の特徴があり、民生、産業、環境試験の分野で広く使用されています。
安定性と感度は、ガスセンサーの性能を評価する上で重要な2つの指標です。安定性とは、センサーの基本応答が動作時間全体にわたって持続することを指し、ゼロドリフトとインターバルドリフトに依存します。理想的には、連続動作条件下での高品質センサーの場合、年間ゼロドリフトは10％未満である必要があります。感度とは、センサー出力の変化と測定入力の変化の比率を指します。異なるタイプのセンサーの感度は、主に採用されている技術原理と材料の選択に応じて大きく異なります。さらに、選択性（すなわち、交差感度）と耐腐食性もガスセンサーの性能を評価する上で重要なパラメータです。前者は混合ガス環境でのセンサーの認識能力を決定し、後者は高濃度ターゲットガスにおけるセンサーの耐性に関連します。
現在のガスセンサー技術の発展には、いくつかの明らかな傾向が見られます。まず、新材料と新プロセスの研究開発が継続的に深化しています。ZnO、SiO₂、Fe₂O₃などの従来の金属酸化物半導体材料は成熟期を迎えています。研究者たちは、化学修飾法を用いて既存のガス感応材料にドーピング、改質、表面改質を行い、同時に成膜プロセスを改善することで、センサーの安定性と選択性を向上させています。同時に、複合・ハイブリッド半導体ガス感応材料やポリマーガス感応材料などの新材料の開発も積極的に進められています。これらの材料は、様々なガスに対して高い感度、選択性、安定性を示します。
センサーのインテリジェント化も重要な発展方向の一つである。ナノテクノロジーや薄膜技術といった新材料技術の応用に成功し、ガスセンサーはより統合化され、インテリジェント化が進んでいる。マイクロメカニカル技術、マイクロエレクトロニクス技術、コンピュータ技術、信号処理技術、センサー技術、故障診断技術といった多分野にわたる統合技術を駆使し、複数のガスを同時に監視できる全自動デジタルインテリジェントガスセンサーの開発が進められている。中国科学技術大学火災科学国家重点実験室の易建新准教授の研究グループが最近開発した化学抵抗電位型多変数センサーは、こうした動向を象徴するものである。このセンサーは、単一装置59で複数のガスと火災特性の3次元検知と正確な識別を実現している。
アレイ化とアルゴリズムの最適化もますます注目されています。単一のガスセンサーの応答スペクトルが広いため、複数のガスが同時に存在すると干渉が発生しやすくなります。複数のガスセンサーを使用してアレイを形成することは、認識能力を向上させる効果的なソリューションとなっています。検出ガスの次元を増やすことで、センサーアレイはより多くの信号を取得でき、より多くのパラメータを評価し、判断と認識の能力を向上させるのに役立ちます。ただし、アレイ内のセンサーの数が増えるにつれて、データ処理の複雑さも増します。したがって、センサーアレイの最適化は特に重要です。アレイの最適化では、相関係数やクラスター分析などの手法が広く採用されていますが、主成分分析（PCA）や人工ニューラルネットワーク（ANN）などのガス認識アルゴリズムは、センサーのパターン認識能力を大幅に向上させています。
表：主なガスセンサーの性能比較
センサーの種類、動作原理、長所と短所、一般的な寿命
半導体型ガス吸着は、半導体の抵抗を変えるコストが低く、応答が速く、選択性が低く、2～3年間は温度と湿度の影響を大きく受けます。
電気化学ガスは酸化還元反応によって電流を発生させるため、優れた選択性と高い感度を備えています。ただし、電解質の摩耗は限られており、寿命は1～2年（液体電解質の場合）です。
触媒燃焼式可燃性ガス燃焼は温度変化を引き起こします。本製品は可燃性ガス検知用に特別に設計されており、約3年間は可燃性ガスにのみ適用可能です。
赤外線ガスは、特定の波長の赤外線を吸収する精度が高く、中毒を引き起こさないが、コストが高く、5～10年間で比較的大きな量が必要である。
VOCのガス分子検出のための光イオン化（PID）紫外線光イオン化は感度が高く、3～5年間は化合物の種類を区別できません。
ガスセンサー技術は大きく進歩しましたが、依然として共通の課題に直面していることは注目に値します。センサーの寿命は、特定分野での応用を制限します。たとえば、半導体センサーの寿命は約2〜3年、電気化学式ガスセンサーは電解質の損失により約1〜2年ですが、固体電解質電気化学センサーの寿命は5年に達することがあります。さらに、ドリフトの問題（センサー応答の経時変化）と一貫性の問題（同じバッチ内のセンサー間での性能差）も、ガスセンサーの幅広い応用を制限する重要な要因です。これらの問題に対応するため、研究者は、一方ではガス感応性材料と製造プロセスの改善に取り組んでおり、他方では、高度なデータ処理アルゴリズムを開発することで、センサードリフトが測定結果に及ぼす影響を補正または抑制しています。
ガスセンサーの多様な応用シナリオ
ガスセンサー技術は社会生活のあらゆる側面に浸透しています。その応用範囲は、従来の産業安全監視の範囲をはるかに超え、医療、環境監視、スマートホーム、食品安全など、様々な分野へと急速に拡大しています。こうした応用分野の多様化は、技術進歩がもたらす可能性を反映しているだけでなく、ガス検知に対する社会の需要の高まりを体現しています。
産業安全および有害ガス監視
産業安全分野において、ガスセンサーは特に化学工学、石油、鉱業といった高リスク産業において、かけがえのない役割を果たしています。中国の「第14次危険化学品安全生産5カ年計画」では、化学工業団地において、有毒ガスおよび有害ガスの包括的な監視・早期警報システムを構築し、インテリジェントなリスク管理プラットフォームの構築を推進することが明確に求められています。また、「産業インターネットプラス労働安全行動計画」においても、工業団地においてIoTセンサーやAI分析プラットフォームを導入し、ガス漏洩などのリスクをリアルタイムで監視し、協調的な対応を実現することが推奨されています。これらの政策方針は、産業安全分野におけるガスセンサーの応用を大きく促進しました。
現代の産業用ガス監視システムは、様々な技術的アプローチを開発してきました。ガス雲画像技術は、ガスの塊を画像内のピクセルのグレーレベルの変化として視覚的に表示することで、ガス漏洩を可視化します。その検知能力は、漏洩ガスの濃度と量、背景温度差、監視距離などの要因と関連しています。フーリエ変換赤外分光技術は、無機ガス、有機ガス、有毒ガス、有害ガスなど500種類以上のガスを定性および半定量的に監視でき、30種類のガスを同時にスキャンできます。これは、化学工業団地における複雑なガス監視要件に適しています。これらの先進技術は、従来のガスセンサーと組み合わせることで、多層的な産業用ガス安全監視ネットワークを形成します。
具体的な実施レベルでは、産業用ガス監視システムは、一連の国家規格および国際規格に準拠する必要があります。中国の「石油化学工業における可燃性および毒性ガスの検知および警報に関する設計標準」GB 50493-2019 および「有害化学物質の主要な危険源の安全監視に関する通用技術仕様」AQ 3035-2010 は、産業用ガス監視 26 の技術仕様を規定しています。国際的には、OSHA（米国労働安全衛生局）が一連のガス検知基準を策定し、閉鎖空間での作業前にガス検知を義務付け、空気中の有害ガスの濃度が安全レベルの 610 未満であることを保証することを義務付けています。NFPA（米国全米防火協会）の規格、例えば NFPA 72 や NFPA 54 は、可燃性ガスおよび毒性ガス 610 の検知に関する具体的な要件を提示しています。
医療健康と病気の診断
医療・健康分野は、ガスセンサーの最も有望な応用市場の一つになりつつあります。人体の呼気ガスには、健康状態に関連する多数のバイオマーカーが含まれています。これらのバイオマーカーを検出することで、疾患の早期スクリーニングと継続的なモニタリングが可能になります。浙江省実験室スーパーパーセプション研究センターの王迪博士チームが開発した携帯型呼吸アセトン検出装置は、この応用の代表的な例です。この装置は、比色法を用いてガス感応物質の色変化を検出することで、人体の呼気中のアセトン含有量を測定し、1型糖尿病を迅速かつ痛みなく検出することを可能にします。
人体内のインスリンレベルが低いと、ブドウ糖をエネルギーに変換できず、代わりに脂肪を分解してしまいます。脂肪分解後の副産物の一つであるアセトンは、呼吸によって体外に排出されます。王迪博士は次のように説明しています。1. 従来の血液検査と比較して、この呼気検査法はより優れた診断および治療体験を提供します。さらに、研究チームは「毎日放出」パッチ型アセトンセンサーを開発しています。この低コストのウェアラブルデバイスは、皮膚から放出されるアセトンガスを24時間自動測定できます。将来的には、人工知能技術と組み合わせることで、糖尿病の診断、モニタリング、服薬指導を支援することができます。
糖尿病以外にも、ガスセンサーは慢性疾患の管理や呼吸器疾患のモニタリングにおいても大きな可能性を示しています。二酸化炭素濃度曲線は患者の肺換気状態を判断するための重要な根拠であり、特定のガスマーカーの濃度曲線は慢性疾患の進行傾向を反映しています。従来、これらのデータの解釈には医療従事者の関与が必要でした。しかし、人工知能技術の活用により、インテリジェントガスセンサーはガスを検知して曲線を描くだけでなく、疾患の進行度合いを判定できるため、医療従事者の負担を大幅に軽減します。
健康ウェアラブルデバイス分野におけるガスセンサーの応用はまだ初期段階にあるものの、その展望は広い。珠海格力電器の研究者らは、家電製品は病気診断機能を持つ医療機器とは異なりますが、家庭での日常的な健康モニタリングの分野において、ガスセンサーアレイは低コスト、非侵襲性、小型化などの利点があり、口腔ケア機器やスマートトイレなどの家電製品に補助モニタリングやリアルタイムモニタリングソリューションとしてますます多く搭載されることが予想されると指摘した。家庭での健康管理への需要が高まるにつれ、家電製品を通じて人の健康状態をモニタリングすることは、スマートホームの発展における重要な方向性となるだろう。
環境監視および汚染防止と制御
環境モニタリングは、ガスセンサーが最も広く応用されている分野の一つです。世界的に環境保護への関心が高まるにつれ、大気中の様々な汚染物質のモニタリングに対する需要も日々高まっています。ガスセンサーは一酸化炭素、二酸化硫黄、オゾンなどの有害ガスを検知できるため、環境大気質のモニタリングに効果的なツールとなります。
ブリティッシュ・ガス・シールド社のUGT-E4電気化学式ガスセンサーは、環境モニタリング分野における代表的な製品です。大気中の汚染物質含有量を正確に測定し、環境保護部門にタイムリーかつ正確なデータサポートを提供します。このセンサーは、最新の情報技術との統合により、遠隔監視、データアップロード、インテリジェントアラームなどの機能を実現し、ガス検知の効率と利便性を大幅に向上させています。ユーザーは、携帯電話やパソコンを通じて、いつでもどこでもガス濃度の変化を追跡することができ、環境管理と政策立案に科学的な根拠を提供します。
室内空気質モニタリングにおいて、ガスセンサーも重要な役割を果たしています。欧州標準化委員会（EN）が発行したEN 45544規格は、室内空気質試験に特化したもので、様々な有害ガス610の試験要件を網羅しています。市場に普及している二酸化炭素センサーやホルムアルデヒドセンサーなどは、民間住宅、商業ビル、公共の娯楽施設などで広く利用されており、人々がより健康的で快適な室内環境を作り出すのに役立っています。特にCOVID-19パンデミックの間、室内換気と空気質はかつてないほど注目を集め、関連センサー技術の開発と応用をさらに促進しました。
二酸化炭素排出量のモニタリングは、ガスセンサーの新たな応用分野です。世界的なカーボンニュートラルを背景に、二酸化炭素などの温室効果ガスの精密モニタリングが特に重要になっています。赤外線二酸化炭素センサーは、高精度、優れた選択性、長寿命といった点で、この分野において独自の優位性を有しています。中国の「化学工業団地におけるインテリジェント安全リスク管理プラットフォーム構築ガイドライン」では、可燃性ガス／毒性ガスのモニタリングと漏洩源追跡分析が必須構築項目として挙げられており、政策レベルで環境保護分野におけるガスモニタリングの役割が重視されていることが反映されています。
スマートホームと食品安全
スマートホームは、ガスセンサーにとって最も有望な消費者向けアプリケーション市場です。現在、ガスセンサーは主に空気清浄機や冷暖房機などの家電製品に使用されていますが、センサーアレイとインテリジェントアルゴリズムの導入により、保存、調理、健康モニタリングといった用途への応用の可能性が徐々に広がりつつあります。
食品保存の観点から、ガスセンサーは食品保存中に発生する不快な臭いをモニタリングすることで、食品の鮮度を判定することができます。最近の研究結果によると、単一のセンサーで臭いの濃度をモニタリングする場合でも、ガスセンサーアレイとパターン認識手法を組み合わせて食品の鮮度を判定する場合でも、良好な効果が得られています。しかし、実際の冷蔵庫の使用シナリオは複雑であり（ユーザーによるドアの開閉、コンプレッサーの起動・停止、庫内空気の循環など）、食品原料から発生する様々な揮発性ガスの相互影響も考慮すると、食品の鮮度判定精度には依然として改善の余地があります。
調理用途は、ガスセンサーにとってもう一つの重要な用途です。調理過程では、粒子状物質、アルカン、芳香族化合物、アルデヒド、ケトン、アルコール、アルケン、その他の揮発性有機化合物など、数百種類のガス化合物が生成されます。このような複雑な環境において、ガスセンサーアレイは単一のセンサーよりも明らかな利点を発揮します。研究によると、ガスセンサーアレイは、個人の嗜好に基づいて食品の調理状況を判断したり、調理習慣をユーザーに定期的に報告するための補助的な食事モニタリングツールとして使用したりできます。しかし、高温、調理中の煙、水蒸気などの調理環境要因は、センサーを「毒化」させる可能性があり、これは解決すべき技術的な課題です。
食品安全分野において、王迪氏率いる研究チームは、ガスセンサーの潜在的な応用価値を実証しました。彼らは「小型の携帯電話プラグインで数十種類のガスを同時に識別する」という目標を掲げ、食品安全情報を手軽に入手できるようにすることに尽力しています。この高度に統合されたアレイ嗅覚デバイスは、食品中の揮発性成分を検出し、食品の鮮度と安全性を判断し、消費者にリアルタイムの情報を提供することができます。
表：様々な応用分野におけるガスセンサーの主な検出対象と技術的特徴
応用分野、主な検出対象、一般的に使用されるセンサーの種類、技術的課題、開発動向
産業安全可燃性ガス、有毒ガス触媒燃焼式、電気化学式、過酷な環境耐性マルチガス同期監視、漏洩源追跡
医療・健康用アセトン、CO₂、VOC半導体タイプ、比色型選択性と感度、ウェアラブルおよびインテリジェント診断
赤外線および電気化学的形態の大気汚染物質および温室効果ガスの環境モニタリングのための長期安定グリッド展開およびリアルタイムデータ伝送
スマートホーム食品揮発性ガス、調理煙半導体タイプ、PID耐干渉機能
本出テクノロジー株式会社までお問い合わせください。
Email: info@hondetech.com
企業ウェブサイト:www.hondetechco.com
電話: +86-15210548582
投稿日時: 2025年6月11日