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國研院開發「智慧型氣體感測晶片」 可隨身攜帶保障生命財產安全

大成報/ 2016.07.20 00:00
【大成報記者羅蔚舟/新竹報導】

二年前高雄發生丙烯氣爆意外,如果爆炸現場附近有夠多的氣體感測器,第一時間測知具高危險性的揮發性有機物大量外洩,也許就可以阻止慘劇發生。國家實驗研究院奈米元件實驗室隨即開始研究可以直接安裝在智慧型手機或手錶中的「智慧型氣體感測晶片」,與固定式環境感測器互補,讓人人皆可隨身攜帶,大幅提高感測範圍,加強保障生命財產安全。經過近兩年的努力,目前已經領先全球,開發出揮發性有機化合物、一氧化碳、二氧化碳、甲醛等四種氣體的感測晶片。

█現有氣體感測器產品功能不足

目前市面上的氣體感測器,體積都很大,只能安裝在固定位置,或是手持偵測。根據國際數據資訊公司(IDC)研究估計,全球物聯網(Internet of things, IoT)市場規模在2020年將可達1.7兆美元,而穿戴式及攜帶式產品是其中很重要的產品。在穿戴式及攜帶式產品上安裝的感測器中,用於呼吸分析(如酒測)與空氣污染用的氣體感測器,則被預測為最有可能的應用之一。法國市調機構Yole Development預估,2021年氣體感測器的使用量會從2014年的120萬個,增加到3億5000萬個,成長約300倍,產值將超過20億美元。

為準確偵測氣體流量與種類,目前市面上的氣體感測器體積都偏大。近幾年出現的半導體氣體感測器雛形,大小雖可縮小到1公分以下,但對於攜帶式(如智慧型手機)或穿戴式(如智慧型手錶)產品而言,仍嫌太大,且無法和智慧型手機或手錶的晶片整合,又有耗電量大、無法精準辨識氣體的缺點。

█國研院開發「智慧型氣體感測晶片」 人人皆可隨身攜帶

國家實驗研究院奈米元件實驗室運用過去累積的微機電製程經驗,與光寶科技光機電整合技術合作,花費近2年時間,開發出可應用於環境的物聯網晶片「智慧型氣體感測晶片」。

「智慧型氣體感測晶片」是以「金屬氧化物半導體材料」作為氣體感測薄膜,透過不同金屬氧化物與氣體在特定高溫下的氧化反應及還原反應,藉由感測薄膜與電子之間的抓放過程,改變薄膜的電阻,以偵測氣體種類與濃度。

「智慧型氣體感測晶片」有兩大技術特點:一、運用獨特的奈米粒子和奈米孔洞技術製作感測薄膜,不但可增加表面積,提高反應靈敏度;亦可藉由不同金屬奈米粒子的特性,感測特定氣體而提高專一辨識能力。二、開發出特殊之「低應力介電層」,可以提升隔熱效果,將感測薄膜所需之250℃高溫侷限於極小範圍內,如此可以縮減晶片體積,而不致讓此高溫對不耐高溫之部分造成損壞。

藉由這兩項技術特點,國研院奈米元件實驗室開發出體積僅3毫米x 2.35毫米x 1毫米的「智慧型氣體感測晶片」,具有微型化、低耗能、可整合於智慧型手機或手錶、可精準辨識氣體等優點,讓「人人隨身攜帶氣體感測器」成為可能。

█避免高雄氣爆事件再度發生 推動國內感測技術發展

國研院奈米元件實驗室已創全球業界之先,成功製作出可直接安裝於智慧型手機的氣體感測晶片。如此一來,即可從現有針對空間環境進行偵測的技術,進化至以「人」為中心的環境監測模式。若未來所有氣體感測器的資料均即時上傳雲端,政府相關單位可即時監測各地環境品質,萬一又發生了像丙烯這種揮發性有機化合物的外洩事件,警消或環保單位即可提早警覺、立即處理,也許就可以避免類似高雄氣爆的事件再度發生,或至少可大幅降低傷亡人數。

近年來個人物聯網或穿戴式裝置使用的各式感測器,已逐漸應用於消費性電子、智慧住宅、保全監控、健康照護、交通運輸、百貨零售,以及警急救難等領域。國研院奈米元件實驗室已成功開發出一氧化碳、二氧化碳、甲醛及揮發性有機化合物的「智慧型氣體感測晶片」,未來除持續開發更多類型的氣體感測晶片外,並將進一步推進到工業級及人體照護級的複合式氣體感測需求。

國研院奈米元件實驗室並將建置一開放式製程技術服務平台,讓國內產學研究團隊可以進行物聯網晶片所需之系統整合工作,以繼續協助推動國內物聯網穿戴式產品與生產力4.0所需之感測技術發展。

(圖由國研院提共/國研院奈米元件實驗室薛丁仁組長右手拿著已安裝一氧化碳感測晶片的手機,左手拿著和光寶科技合作的酒精感測鑰匙圈。)

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