２．IoT時代の到来

センサシステムの形態は、1990年代中頃以降のインターネットの普及や公衆無線回線を含む無線通信技術の発展により大きく変わろうとしている。それまでにも、センサと通信技術を用いたモニタリング・システムとしてGE（General Electric）社の航空機エンジンのリアルタイム・モニタリングは、エンジントラブルの発生やメンテナンス箇所が飛行中に知る事ができ、事前の準備により航空機の運航を大きく改善した例として有名である。しかし、このようなグローバルなリアルタイム・モニタリング・サービスは、当時はＧＥのような巨大企業だけができるシステムであった。
この状況がインターネットの普及により大きく変わった。さらにデータセンタにおける巨大な情報処理能力を利用するクラウドコンピューティングは、図5のようなIoTセンサシステムを産みだしている。

さらに図6のWiFi、3G、LTE、Zigbee、 Bluetooth、など各種の無線通信技術が普及し、最近ではLPWA（Low Power Wide Area）がIoT向け無線通信技術として用いられる。
これらのIoT（Internet of Things：モノのインターネット）により引き起こされる産業構造の変化は「第 4 次産業革命」を引き起こし、ドイツの「インダストリー4.0」、米国の「インダストリアルインターネット」や、日本における「超スマート社会(Society5.0)」として新しい産業や社会の実現が期待されている。
このように、21世紀において、IoT、ビッグデータ、人工知能の利活用が活発になる中、基盤技術としてのセンサ技術がますます重要となってきている。図7は次世代センサ協議会の「ＩｏＴセンサ技術研究会」設立趣意書に掲載されたもので、内閣府の第５次科学技術基本計画の第２章に図にIoTにおけるセンサ技術の位置づけを追加記入したものである。

●防災以外のLPWAシステム応用

LPWAはその性質上、消費電力を低くすることに力がはいった設計がされており、長時間のオペレーションが可能である。そのため、センサーをつけた端末としてバッジなどの小さな形もできるうえ、価格も安く、通信料金もかからないので、介護施設などでの被介護者の管理などにも、一定の効果が期待できる製品をかんがえうる。微弱な振動を取るセンサーや、GPSなどのセンサーをLPWAのついたハードウエアと組み合わせれば、被介護者の施設内外の徘徊などのトラブルや、身体的なトラブルの有無なども遠隔でわかることになり、介護者の負担を減らすことにも資することができる。従来の無線システムでは、無線の飛距離が短かかったり、あるいは、無線の消費電力が多く電池が持たなかったり、価格が高いために導入が不可能、ということもあった。しかし、LPWAでは、これらの問題を大幅に低減できる、と、期待されている。

１．はじめに

センサの歴史を振り返ると、1971年11月15日にインテル社により発表された4004に始まる1970年代のマイクロプロセッサー（マイコン）の発達による情報処理能力の向上、情報処理コストの低減が、情報入力デバイスとしてのセンサの発展を促したといえる。

図1はマイクロプロセッサーの情報処理能力の向上の一例で、パソコンのＣＰＵ（Central Processing Unit）のクロック周波数の1990年代における変化を示したものである。縦軸が対数目盛になっていることから分かるように、目覚ましい進歩があった。ここで注目したい事は、100MHzはFM放送やアナログTV放送の搬送周波数であり、1GHzは携帯電話、スマートフォンの無線通信のキャリア周波数であることであり、マイクロプロセッサーの動作は高周波領域に入っている。
また、マイクロプロセッサーの進歩とともに、マイコンは家電製品や自動車などの機械や装置の中で使用される組み込みシステムとして広く普及した。

一方、センサに関しては1979年12月に発刊されたIEEE Transactions on Electron Devices, Vol.ED-26, No.12はSOLID-STATE SENSORS, ACTUATORS, AND INTERFACE ELECTRONICSの特集で、J. D. MeindlとK. D. Wiseによる序文¹⁾ や掲載された論文は、図2に示すような1980年代以降の半導体材料や半導体製造技術を用いた各種センサの大きな進歩を予見させるものであった。
ちなみに、センサ分野最大の国際会議であるInternational Conference on Solid-State Sensors and Actuators（Transducers 国際会議）は、1981年に米国ボストンで開催されたMaterials Research Societyの年会の1セッションとしてスタートしている。

一般的なセンサ、アクチュエータ、マイコンを用いたシステムの構成例を図3に示す。センサの出力は一般に小さいので増幅回路で増幅され、場合によってはフィルタ回路で所望の周波数成分をもつ信号にした後、A/D（アナログ／ディジタル）変換回路によりディジタル信号に変換されマイコンに入力される。センサの値はそのまま表示される他、マイコンで処理され制御信号として出力される。この出力はD/A（ディジタル／アナログ）変換回路によりアナログ信号にした後、アクチュエータを駆動するのに十分な電圧、電流に増幅するためドライブ回路が用いられる。
このようなセンサとマイコンを用いた装置は社会に広く普及している。例えば、マイコンの搭載された家電機器に始まり、自動車では有害排気ガス低減や安全性、操作性、快適性の向上のために数十種以上のセンサが使われている。

図4はセンサシステムを一次産業である水産養殖へ応用した養殖稚魚用ワクチン接種装置である²⁾。養殖においては病気の予防に稚魚の段階でワクチンを接種することが行われている。それまで使われていたマニュアル操作のワクチン接種用注射器の代わりに、稚魚を注射針に押し付けると圧力板に取り付けられたロードセル（力検出センサ）により針がささったのを検出して、電磁弁が開き一定量のワクチンが稚魚に注入される。これにより人手によるワクチン接種にくらべて作業能率が6割以上向上した。

半導体微細加工によるMEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 技術を用いると、高度なセンサなどが安価に製造でき、これらはIoTのキーデバイスとなっている。以下では4回に分けて、システムの要求に応え、装着やパッケージングの工夫、回路やアクチュエータなどと組み合わせたMEMSセンサの例などを紹介する。

1. 半導体イオンセンサ (装着に適した構造)

47年前の大学院生の時(1971年)に研究した、ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)と呼ばれる半導体イオンセンサを紹介する。電解液中の特定のイオンの濃度を計測するには、図1左に示すイオン選択性電極が使われている。水素イオン濃度であるpHを測るガラス電極はその代表例であるが、イオン感応層であるガラスと液の界面電位がpHで変化し、その電位はガラス膜を通して測定されるため、小型化すると高抵抗になる問題があった。ISFETの場合は図1右のように絶縁ゲートFETのゲート絶縁膜上にあるイオン感応層表面で生じる電位を、FETで電流に変換するため、小形化に適している。水素イオンの場合にはイオン感応層表面のSi-OH基が液中の水素イオン濃度に対応して、酸性の場合には　Si-OH₂⁺にアルカリ性の場合にはSi-O^–に、それぞれ電荷を持ち界面電位を生じる。どのイオンに選択的に応答するかはイオン感応層表面組成により以下のような機構で変わり、表面にSi-Al-O^–基を持つアルミノシリケートをイオン感応層に用いるとNa⁺イオンに応答する。Si-O^–基の場合は電界が強いため、H+イオンを水和した状態から分離させて結合しpHセンサとして働く。これに対しSi-Al-O^–基の場合にはSi-O^–基よりも負電荷が分散し電界が弱いためにH⁺イオンは水和状態にあるが、水和エネルギの弱いNa⁺イオンはSi-Al-O^–基と結合することができてpNaセンサとなる。これを利用しpHとpNaを測れるマルチイオンセンサ用ISFETも製作されている¹⁾。