フラウンホーファーが高みを見せる

さまざまな応用分野でセンサーに対する需要が高いため、センサーの機能と性能プロファイルには非常に異なる要件があります。したがって、フラウンホーファー IPMS における研究活動の中心的な目的は、カスタムおよびアプリケーション固有のセンサーおよびセンサーシステムを開発することです。そうすることで、既存の製品が拡張され、革新的なテクノロジー、コンポーネント、システムの使用を通じて新しいアプリケーションが可能になります。これらは、標準的なセンサーと比較して、高精度、小型、エネルギー効率の向上、および追加機能が特徴です。サービスの範囲は、コンポーネントから完全なシステムに至るまで、構想やプロトタイプ開発から、研究所独自の研究室やクリーンルームでのパイロット生産にまで及びます。人工知能 (AI ソフトウェア) を組み合わせて追加することにより、完全な「インテリジェント」システムの開発も可能になります。

2023 年 5 月にニュルンベルクで開催される SENSOR+TEST 見本市で展示されるフラウンホーファー IPMS の光学、化学、および超音波センサー技術の最新開発については、以下で詳しく説明します。

上の画像: フラウンホーファー IPMS の超音波センサー。著作権: © Fraunhofer IPMS。

フラウンホーファー IPMS は、革新的なコンパクトおよび超コンパクトな近赤外 (NIR) スペクトル分析システムを提供します。さらに、同研究所は、スペクトル分析を使用して繊維の組成を検出するデモンストレーターを初めて発表します。この応用分野は、バリューチェーン全体に沿って多くの可能性をもたらします。このようにして、購入者は購入時に材料を確認することができます。ケアの領域では、汚れ粒子を分析することで洗浄の必要性を特定でき、色と素材に基づいて適切な洗浄プログラムを決定できます。特にアンビエント支援リビングの文脈では、多様な応用分野が考えられます。このシステムは、繊維のリサイクルに関連して、色や素材に応じて繊維を分別することもできます。

フラウンホーファー IPMS スペクトル分析システムのその他の応用分野には、食品の鮮度検査、リサイクル中のプラスチック製品の分類、または医薬品の原材料の種類と濃度の決定などがあります。このシステムは、設計プロセスにおいてさまざまなスペクトル範囲に柔軟に適応できます。

「単一点」近赤外分光法とシンプルな RGB イメージングの組み合わせにより、最大限の情報判定が達成され、AI ソフトウェアを備えたインテリジェントシステムへの接続が可能になります。システムの継続的な開発が計画されています。これに関連して、カビやバクテリアなどの汚染を可視化するために、UV 範囲のより広いスペクトル範囲がターゲットとなります。

化学センサーの分野では、フラウンホーファー IPMS の科学者は、金、銀、または白金でできた微小電極を備え、最小限の分析量で多数の電気化学分析手順を可能にする電気化学分析チップを発表しています。応用分野としては、有機半導体の材料開発やオフライン反応制御、体液の電気化学分析などが挙げられます。

作用電極 (WE)、対電極 (CE)、および参照電極 (RE) を備えた電気化学分析チップの顕微鏡画像。チップのサイズは 5×5 mm² です。著作権: フラウンホーファー IPMS。

水溶液中のイオン、イオン伝導率、温度を検出するために、同研究所はイオン感応電界効果トランジスタ (ISFET) ベースのセンサーと接続可能な統合技術を開発しています。これにより、たとえば、従来の参照電極なしでの pH 測定が可能になり、導電率および温度センサーを含むチップ上で実現できます。チップは乾燥状態で保管でき、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) 環境に統合できます。センサー層を変更することで、特定のイオンや分子に対する感度を調整することも可能になります。

フラウンホーファー IPMS は、イオン移動度分光計 (IMS) のさらなる開発にも取り組んでおり、将来的には関連ガスの携帯型かつ迅速な検出に使用される予定です。この技術により、空気中の ppm および ppb 濃度範囲のイオン化分析物の直接検出が可能になり、特に環境、食品、生物医学の分析に使用されます。検出可能な物質は、たとえばアセトンやトルエンなどの揮発性有機成分 (VOC) のグループに由来しており、これらはマーカー認識や汚染物質の検出において非常に重要です。この微量ガス分析のために、フラウンホーファー IPMS は、アプリケーション固有の製品開発のために顧客および協力パートナーと使用できるモジュール式コンポーネントを開発しました。コンポーネント、テクノロジー、およびシステム統合の基礎となる独自のコンセプトは、市場の既存のソリューションを超えており、したがって、将来のガスセンサーテクノロジーの分野で革新的なソリューションに取り組むことが約束されています。

右の測定アダプターに挿入・接触させる電気化学分析チップの概略構造。著作権: フラウンホーファー IPMS。

サイズが小さいため、モバイルデバイスの開発により、現場での直接測定が可能になり、たとえば、重要な場所で有害な放出物を検出したり、医療従事者の診断や治療をサポートしたりすることができます。さらに、微小電気機械システム (MEMS) テクノロジーを利用することで、IMS チップをコスト効率よく大量に実現できます。目標は、一般の人に広く使用され、多様なアプリケーションシナリオ内で展開されるモバイルデバイスを提供することです。

超音波センサー技術の分野では、フラウンホーファー IPMS は、低 MHz 範囲までの振動周波数を生成できる、いわゆる CMUT、容量性微細加工超音波トランスデューサーを開発しています。応用分野には、エッジ AI と組み合わせた予知保全、機器のジェスチャ認識と制御、光学またはレーダーシステムの代替としての距離検出などが含まれます。これには、手からセンサーまでの距離の時間の経過に伴う変化を測定することが含まれます。同研究所はブースで、混合ガス中の水素濃度を最大 100% まで測定する手順を紹介します。 CMUTは医療分野でも使用されています。見本市では、フラウンホーファー IPMS が肺活量計のデモンストレーターを展示しています。肺機能を分析するシステムは、AI 制御の分散型患者モニタリングシステムの一部です。高度な CMUT 超音波センサー技術は、モバイルで強力な肺活量計の開発に重要な貢献を可能にします。

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