人間の努力は環境の中で追求されます。人工的なものであろうと自然のものであろうと、環境は人類の初期の時代から科学的な調査と発見の対象となってきました。
世界中の人々は、環境を効果的に保護するためだけでなく、これらの環境が人間の健康、安全、一般的な生活に及ぼすリスクと影響を理解するためにも、自分たちが住み、働き、繁栄する場所に関するより多くの情報を求めています。さらに、氷床の融解、海岸線の沈下、地球温暖化などは、地球環境の根底にある繊細で複雑な調和に対する人類の進歩の目に見える影響として現れています。現在、環境関連の問題にかつてないほど関心を寄せることが、科学者、政策立案者、さらには一般市民にとっての最優先事項となっています。私たちの生態系や生息地に対する意識の高まりを補完するものとして、新しいセンサー技術とセンサー ネットワークにより、環境関連情報の収集と配信が容易になっています。多くのセンシング装置は数十年にわたって特殊な用途で使用されてきましたが、コストポイントの劇的な低下により、環境センシングはますます誰にとっても利用しやすくなり、今では日常的な家庭用途にも使用されるようになりました。下の図は、環境アプリケーションやさまざまな個人/商業アプリケーションに実装されている、市場で入手可能な一般的なセンサー テクノロジを示しています。さまざまな センサー の組み合わせが、携帯電話やウェアラブルなどのスマートデバイスに組み込まれるケースが増えており、独自の洞察や個人的な測定が可能になり、環境だけでなく自分自身に対する認識も変化しています。
図1: センサーの種類とカテゴリ
この記事では、センサー技術の環境への応用と、このダイナミックで成長を続ける市場を構成する主要なトレンドに焦点を当てます。
環境センシング技術と応用
センサー と測定装置は、産業と現代生活のほぼすべての分野で不可欠なものとなっており、家庭での単純な一酸化炭素検出から道路状況の複雑な評価に至るまで、環境アプリケーションでの広範な使用が社会に広まっています。環境センサー アプリケーションは、図2に示すように5つの異なるドメインで構成されます。
図2: 環境センサーの応用分野
これらすべての領域において、センサーの基本的な役割は、金属（鉛、鉄、マグネシウムなど）、放射性物質（ラジウム、ウランなど）、ガス（CO2、NO2、オゾン、COなど）、有機化合物（ベンゼン、メタン）、生物学的病原体（藻類、細菌など）の濃度を測定することです。さらに、圧力、湿度、温度の測定も一般的です。現在、さまざまな半導体ベースのセンシング技術がますます小型のフォームファクタで利用可能になっており、そのほとんどはパッシブまたはアクティブとして動作します。パッシブセンサーは追加のエネルギー源を必要とせず、外部刺激に応じて電気信号を直接生成します。熱電対、 フォトダイオード、 圧電センサー はすべて典型的なパッシブセンサーです。 アクティブセンサーの動作には外部電源が必要です。
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ほとんどの場合、センサーはより大規模な制御システムまたは測定システムのコンポーネントであり、センサー システムの高度さと感度は、センサー信号のソフトウェア ベースの解釈と分析にますます依存するようになっています。センサーの種類に関係なく、コストの低減と機能性の向上により、あらゆる分野でセンサーの価値が高まっており、センサー業界ではアプリケーションの爆発的な増加が起こっています。
センシングの主要トレンド
過去30年間のデジタル革命が続く中、センサーは新しい時代のアプリケーションを促進する最前線に躍り出ました。モノのインターネット (IoT) パラダイムは、特に感覚入力と分析に依存して、利害関係者に新たな価値の源をもたらします。さまざまな分野での継続的なイノベーションにより、センサー技術にはいくつかの大きなトレンドが生まれています。
Sセンサーの性能: センサーの性能は、出力信号の感度、精度、信頼性によって決まります。新しい材料、センシング技術、製造、パッケージング技術に関するイノベーションは、コストの大幅な削減だけでなく、感度の向上にも貢献しています。たとえば、過去20年間だけでも、ガスセンサーの感度は50 ppmから約10 ppmに向上しました。同じ期間に、ガスセンサーの単位コストはほぼ3桁減少しました (図3)。センシングデバイスに マイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) や、最近ではナノエレクトロメカニカルシステム (NEMS) を組み込む傾向が高まり、センサーの精度と信頼性が大幅に向上しました。さらに、シリコン測定素子（熱量および化学パラメータ用も）の使用が増えたことにより、センサーの能力が向上しました。同時に、最適化されたパッケージング技術によって測定の不確実性も低減され、集中的なアプリケーションでも再現性と長期安定性が向上します。パフォーマンスの向上に向かう傾向により、超高感度デバイスが導入され、特に産業、商業、個人の環境で莫大なコストを回避するスキームを推進する早期検出システムに応用されるでしょう。
図3: ガスセンサーのコストと性能の傾向 (出典: ジェフ・ファンク教授、新世代MEMSガスセンサー)
小型化: 注目すべきは、センサーのフォーム ファクターと消費電力要件を同時に削減しながら、センサーのパフォーマンスの向上が達成されたことです。たとえば、40年の間に、ガス センサーは17 mmの大きさから2 mm未満にまで小さくなりました (図4)。注目すべきは、これらのフォーム ファクターの変更に伴って、ユニットの電力消費が2桁以上削減されたことです。
図4: ガスセンサーの小型化 （出典：ジェフ・ファンク教授、新世代MEMSガスセンサー）
小型で低消費電力なため携帯性が向上し、センサーの寿命も延びます。ライン電源に頼る必要がなくなり、バッテリー駆動のセンサー システムによって新しい監視パラダイムが実現します。電力が不足している敏感な産業エリアや環境を、最小限の設置面積で監視できるようになりました。シリコンベースのセンシングにより、コンピューティング能力に劇的な変化をもたらした小型化のトレンド (ムーアの法則) が、センサー技術の主流になることが確実になりました。小型化の最大の利点は、ウェアラブルやスマートフォンの技術にセンサーを埋め込むことができることです。
図5: 携帯電話とタブレットにおける環境センサーの出荷 (出典: IHS携帯電話とタブレットにおける新興センサー レポート – 2014)
統合: 現在進行中のもう1つの技術トレンドは、大量アプリケーション向けに1つのデバイスで複数のセンサーを使用することです。多数のセンサーをパターン認識と組み合わせてホットプレートなどのセンサーアレイに統合することで、複数の種類のセンシングを行う新しいデバイスが開発されています。複数のガスを検出し、温度、湿度、圧力などの物理的な環境条件も検出することが可能になり、商業および個人用のアプリケーションで利用されるようになりました。圧力測定や酸度測定など、物理的、化学的、生物学的センサーを単一のセンサー要素に結合することで、実験室作業の性質が変化しています。「チップ上の環境センサー」タイプのデバイスは、もはや単なる概念ではなく、環境センシングを劇的に高速化し、分析コストを大幅に削減する可能性があります。
図6: 各種環境センサーの統合
標準化とセキュリティ: センサーは常により広範な制御システムの一部であるため、特定のセンサーまたは複数のセンサーを備えたモジュールをより広範なシステムに簡単に統合できることが重要です。さらに、非常に多くのセンサーがすべて継続的にデータを送信しているため、データを活用するのに役立つインターフェースが必要です。ドメイン間のデータ交換によって貴重な洞察が得られるため、接続性と通信プロトコルの標準化は明らかに必要です。さらに、センシング モジュールを標準の電源、処理、RFモジュールと統合したシステム オン チップ設計がますます普及しつつあります。この設計および通信標準化モデルにより、コスト、デバイス サイズ、および電力消費が削減され、デバイスの機能とアプリケーションの範囲が拡大します。
図7: 統合環境センシングノード
標準化の大きな利点はセキュリティでもあります。すべてのデジタル ネットワークとデバイスに影響を及ぼすさまざまなセキュリティの脅威があるため、センサーとセンサー ネットワークが脆弱性の原因にならないことが重要です。確立された標準に準拠することで、センサー出力が操作されず、許可された受信機のみがセンサー出力を受信できるようになります。
自律的かつインテリジェント: 高性能センサーが私たちの周りに普及するにつれて、私たちが環境やその中で起こる変化についてより深く理解できるようになることは間違いありません。センサーデバイスは、自律的でよりインテリジェントな動作モードを実現するために急速に改良されています。このような運用効率の鍵は、感覚データを適切に処理することです。真の洞察を得るには、多くの場合、複数のソースからのデータを統合する必要があります。さらに、傾向データはポイント測定よりも価値があることがよくあります。この動作モードを実現するために、センサー電子機器の高度に統合されたコンポーネントに基づく機能統合の強化がすでに検討されています。パターン検出、追加データの取得、高度なアルゴリズム分析は、センサー データを次のレベルに引き上げるために不可欠です。このため、センサー デバイスにはオンボード分析機能が搭載されることが多くなり、クラウド プラットフォームに接続して新たな洞察を得ることもできます。センサー デバイス自体には、自己監視、干渉検出と診断、自己キャリブレーション (自己調整)、再構成などの機能が組み込まれるようになっています。これらの機能を使用して予防保守を推進すると、産業および商業環境における運用コストを大幅に削減できる可能性があります。センサー デバイスが進歩しているもう1つの領域は、環境のコンテキストに適応するための使いやすさと実装の容易さ (統合通信インターフェイス、プラグ アンド プレイ機能、自動位置特定など) です。
自律的でありながら高度に統合された動作モードを実現するには、センサー設計に対する非常に総合的なアプローチが必要であり、これには、新しい3D設計ツール、FEM (有限要素法) 計算、Matlab/Simulink統合、包括的かつ正確な材料データの使用が含まれます。さらに、さまざまな物理センサーから取得したデータを融合して、単一の「論理」または「仮想」センサーからより包括的な情報を提供することは、センサー革新者がターゲットとする重要な分野です。
上記のすべての傾向は、前例のない形で私たちの世界を変えるでしょう。クラウド コンピューティング、センサー テクノロジ、ウェアラブル、スマートフォンの発展により、私たちが生活し、働き、遊ぶ環境に対する意識が高まることが予想されます。センサー ネットワークが、私たちの身近な環境の大気汚染レベル、道路状況、騒音レベル、気象状況、放射線レベル、水質に関する情報をスマートフォンに直接配信する世界を想像するのは難しくありません。これらはすべて都市での応用ですが、森林火災の検出、オゾンレベルの検出、氷の融解速度の検出、塩分濃度など、自然環境や環境に敏感な地域でも同様に大量のデータ ストリームが利用可能になります。このすべての情報により、環境を制御できるだけでなく、新しい方法で環境を理解することもできます。
まとめ
環境センサーは、よりつながりのある世界を実現するために不可欠です。私たちの周囲の情報を提供することから地球規模の気候変動への取り組みを支援することまで、センサーとセンサー ネットワークは、私たちの周囲の環境に対する認識を根本的に変えています。環境、産業、商業、個人のスペースはすべて、安全性、制御、監視への新しいアプローチを推進するために、さらにスマートなセンサー デバイスを活用しています。センサー それ自体がさまざまな次元で新たな発展を遂げています。センサーの機能は急速に拡大すると同時に精度と信頼性が向上し、センサーは消費電力とフォームファクターの両面でますます小型化しており、デバイスがより広範囲に展開されるにつれてマルチセンサーデバイスがより一般的になり、複数のセンサーと他のコンポーネント間の新しいレベルの統合によって新たな可能性が生まれています。センサーが自律的かつインテリジェントになる未来は明らかに実現可能であり、運用効率とコスト削減だけでなく、人間の健康、安全、そして地球全体の幸福を守るための新しい機能の開発にも新たな可能性をもたらすでしょう。