2019 年 3 月出版
科儀新知 第 218 期
智慧氣體感測專題
國內外空氣品質感測器現況介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
黃國政, 陳奕璇, 楊青青, 蕭文澤
隨資訊網路與感測技術進步，聯網科技正帶動新科技浪潮。空氣品質係影響到人們的周遭生活起居，本文介紹國內／外空氣品質感測器現況、利基市場與國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心與台灣半導體研究中心在氣體感測器元件與整合測試平台開發的技術能量 (如：薄膜製程、微機電系統製程技術、系統電路設計製作與驗證測試平台建立)。由前端空氣品質感測元件模組發展至後端數據資訊彙整分析等應用，建立氣體感測器元件國產化技術，以垂直整合產業、建立整體系統團隊，以推動空品物聯網整合系統，佈局全球市場。
固態氣體感測器介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
楊力儼, 柯廷勳, 曾文甲
固態氣體感測器常用來檢測易燃氣體與有毒氣體，隨其感測機制的不同具有不同的優缺點。舉例而言，觸媒燃燒式氣體感測器具有不受環境溫濕度影響的優點；固態電解質氣體感測器具有良好的選擇性、高導電率與靈敏度；半導體氧化物氣體感測器則具有靈敏度相對高、可偵測低濃度氣體、小型化與適合低價量產等優點。本文將針對以上幾種固態氣體感測器作介紹，另外也將選擇介紹幾種用於製備固態氣體感測器的材料製程技術。
奈米粒子修飾氧化鋅奈米線於大氣環境中氮氧化物氣體感測應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
呂文忠, 陳煜杰, 柯賢文, 林鶴南
我們製作奈米粒子修飾之氧化鋅奈米線電阻式感測晶片，並應用於大氣環境中氮氧化物氣體感測。感測晶片上有電極及奈米材料，當氮氧化物氣體分子吸附到奈米材料表面，使得晶片電阻增加，因此可由電阻變化率得知氣體濃度。以紫外光活化感測模式，測出對 0.5 ppm 一氧化氮及二氧化氮，響應值約為 110% 及 590%，具有高靈敏度。我們也組裝一台可由手機進行操控的可攜式氣體感測器，以應用軟體程式記錄感測晶片電阻變化，便可得知周圍環境氮氧化物氣體濃度。
固態電化學式 NOχ 感測器於 Euro 6 空氣汙染防制之研究 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
蔡淑儀, 陳泰辰, 方冠榮
在每輛汽車上多樣化的終端感測器中，監控氣體品質及汙染防治的感測器，將在車聯網應用上扮演高度重要性。特別是近日在全球汽車產業掀起軒然大波的德國福斯汽車公司柴油車的汙染排放電腦軟體的醜聞，就是為了要應付日趨嚴格的廢氣排放標準。因此如何有效地監控氣體品質，將汙染氣體排放量的電子訊號回饋給車用電腦來控制最佳引擎燃油／空氣比，近年來備受矚目。本研究以氧離子導體材料為基礎，結合奈米化材料為感測電極材料，並藉化學組成的修飾，增加氣體感應之靈敏性。本研究利用具量產可行之陶瓷成型技術，依序進行各層材料的圖案化的設計與製備，開發出符合空汙規範之產品，藉以提高國內廠商之國際競爭力，來符合未來市場之需要。
半導體式晶片型氣體感測器研發 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
薛丁仁, 蕭文澤
全球科技產業帶動了工業及都市的發展，車輛及工廠等因素增加，空氣品質明顯的受到衝擊效應，並造成疾病與災害，如 2014 年高雄發生丙烯氣爆意外案。此時，若能開發將氣體感測器整合於常用之行動裝置上，達到以「人」為中心的環境監測，也許就可以阻止遺憾發生。這個概念全世界嗅到了，2016 年國際 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，且絕大部分使用於智慧型手機 (smart phone)。然而，要整合於智慧型手機上，氣體感測器必須達到微小化及低耗能的需求。目前惟有以微機電系統 (MEMS) 技術所開發半導體式晶片型氣體感測器方能達到最微小化、最低耗能及低成本，所以相關產品備受矚目。本研究係以微機電系統整合技術平台為基礎，發展金屬氧化物半導體式氣體感測器，透過不同感測薄膜如二氧化錫 (SnO2) 氣體感測薄膜、奈米氣體感測薄膜，分別針對 NO2 氣體濃度、SO2 氣體濃度與酒精 (alcohol) 氣體濃度進行量測。
低耗能氣體感測器設計與製作方法 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
蕭育仁, 林威志, 劉建惟, 蕭文澤
金屬氧化物半導體式氣體感測器具有成本低、壽命長、可微小化、可大量生產、易整合於 Si 製程等特色與優點，故受到相當多的注目。常見的金屬氧化物半導體式氣體感測器形式為二維感測器由微加熱器所提供熱能，因加熱與感測電極同一道製程設計，造成中間較低溫外圍較高溫狀況，進而溫度分佈不均產生，所消耗功率也大。而這次製作的三維結構是將加熱與感測電極分開，且優化加熱電極的圖形，這樣有助於加熱的均勻與功率的提升。
應用於工廠煙道環境之即時光學空氣品質監測系統 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
邱裕中
在本研究計畫，我們研究團隊計劃開發一應用於工廠煙道環境之即時光學空氣品質監測系統。此系統由帶通光檢測器、雷射及 220 cm 光路傳輸組成。帶通光檢測器的吸收波長預計為 390 nm 到 420 nm。二氧化氮的檢測目前初估已達約 5 ppm。在此必須強調，相較於傳統的氣體感測器，本團隊開發的系統無需替換感測器頭。
整合溫度、濕度、微粒與無線通訊功能感測器模組於三維空間即時監控 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林奕成, 李承儒, 許芷寧, 楊青青, 黃國政, 蕭文澤
大氣懸浮微粒 (PM)，也稱為氣膠，是指懸浮在空氣中肉眼無法辨識之極微小固體顆粒。流行病學領域之相關研究顯示，環境中 PM 2.5 濃度對人類健康造成的不良影響已經引起人們相當大的關注。許多國家為保障公眾健康皆頒布了 PM 2.5 空氣品質標準，當中用來定義微粒之粒徑的方法也非常多元。本文將溫度、濕度以及光學氣膠感測器和無線傳輸模組作整合，開發出一種可攜式多感測器模組。將該開發模組置放於乾燥箱中利用溫濕計和雷射粒子計數器做測試，並透過最小平方法建立一迴歸方程式。監控模組則分別設置在乾燥箱之上層、中間層和底層，箱內濕度則控制在 20% 至 90% 之間，以監測光學氣溶膠感測器在各環境條件和空間維度下之性能。實驗結果顯示，光學氣溶膠感測器之計數數值隨著相對濕度的上升而增加，計數器之上層數值皆高於中間層和底層，而溫度對於粒子感測器沒有實質性的影響。
可變焦透鏡多焦點影像應用於顯微形貌量測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
范振亮, 林敬烜, 鄭璧瑩, 翁俊仁
本文的重點為利用尋焦演算法以及可變焦透鏡，達成多重焦點影像融合的方法以及樣品表面輪廓模型的建立。大多攝影系統在光線聚焦處皆會有一景深值，若樣品在攝影系統景深內，則所拍攝的影像會是最清晰的，反之若樣品表面在景深外，則所拍攝的影像會是模糊的。尋焦演算法能夠計算影像的清晰度 (sharpness)，演算法的輸出值，會隨著影像變得清晰而增加，因此利用尋焦演算法可判別樣品表面是否在景深內。本研究利用尋焦演算法可以判別影像清晰度的特性，配合可變焦透鏡達成多重焦點影像融合的功能，利用多重影像焦距融合演算法就算在景深不足的情況下，也能夠透過融合不同焦距下取得的影像合成品質良好的影像，並同時繪製出樣品的表面顯微形貌。本篇論文所研究之表面輪廓量測方法為被動式量測，因此不會直接與待測物進行物理性的接觸，避免掉損壞待測物的風險，適合應用在脆弱的樣品上。
