2022 年 3 月出版

科儀新知 第 230 期

人物專訪

國立中興大學薛富盛校長-與人為善、純粹利他，傳遞正面價值觀的高教創新教育家 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

林麗娥

教育肩負著「百年樹人」的使命，一點一滴的教育工作，無不在培育人才為社會所用而努力，為知識文化的承傳與開創而奮鬥。而教育的功效往往不是立竿見影，而是需要經過時間的洗禮和考驗。因此，校長是一個相當不容易又高壓的職業，工作內容廣泛，任何的決策都與學生、老師、家長，甚至整個國家總體發展都有關。尤其臺灣高等教育面臨許多困境， 諸如少子化，造成生源不足、入學門檻降低、學生素質低落、經費不足、產學脫節、國際競爭力下降等問題，如何提出解方、進行校園治理，正考驗著每所大專院校的校長。我們從國立中興大學薛富盛校長身上觀察到，「與人為善、純粹利他」的人生哲學，正是其創新領導、帶領中興大學成為中部最佳綜合大學龍頭的不二方針。

氣體感測器原理與應用

「氣體感測器原理與應用」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

李昇憲

氣體感測器是將特定氣體以適當的傳感機制轉換為電訊號，用於探測在一定區域範圍內是否存在特定氣體或能連續測量氣體成分濃度的元件，相當於動物的嗅覺器官。日常生活中的氣體大多無色無味，就人類的嗅覺而言，要辨別氣體的種類是有相當的難度，然而在這些氣體中，卻存在著許多對人體有害的氣體，例如一氧化碳 (CO)、一氧化氮 (NO) 等，或像是 二氧化碳 (CO₂)、二氧化硫 (SO₂) 等空氣汙染氣體。

隨著全球空氣汙染越趨嚴重，世界衛生組織 (WHO) 於 2019 年將「空氣污染與氣候變 遷」列為十大健康威脅的首位。全球有十分之九的人生活在空污環境中，每分鐘可奪走 13 條人命，吸入空氣中的污染物質，可能導致心、肺、大腦等重要器官損傷，每年有 700 萬人因空污引起相關疾病致死，如癌症、中風、心血管疾病等。因此，開發能夠針對空污進行偵測、即時預防改善的儀器設備，就現代人類社會而言，更形迫切。 過去會以高精度的空品量測儀器，輔以專業技工採樣及分析，相關投資動輒數百萬元，也需要較大的監測空間，以致於傳統環保偵測站難以廣泛布建，社會大眾亦難掌握生活周遭空品狀況。隨著新興科技的持續進步，如物聯網 (IoT)、大數據分析、演算法及人工智 慧等，帶動微型感測器的發展，價格也相對下降許多，不僅可攜式，還能夠即時監控，大量布建，發展多元化應用，如消費性產品、暖通空調、車用進氣系統及動力系統、無塵室、環境及工業安全、國防及工業用途、醫療等，也帶出空品物聯網的新契機。

本期即以「氣體感測器原理與應用」為專題，介紹目前國內各界學者專家依照偵測原理與機制，所發展出各形各色感測氣體的方式，包含半導體式 (metal oxide semiconductor gas sensor, MOS type)、電化學式 (electrochemical gas sensor)、觸媒燃燒式 (catalytic combustion gas sensor) 以及光學式 (optical gas sensor)、紅外線式 (infrared gas sensor)、超聲波式 (ultrasonic gas sensor) 等，各有其優缺點，以及適合的應用領域。期望讀者在作者群深入淺出的介紹下，進一步認識氣體感測器原理與應用，以及這類型的新興技術，激發讀者新的研究想法與方向，進而提升國家整體科學研究實力。

手機操控可攜式二氧化氮氣體感測器 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

施宣如, 高宇翔, 張庭維, 沈煒翔, 林儀豪, 林奕成, 廖泰杉, 蕭文澤, 林鶴南

本論文報導高靈敏度半導體式二氧化氮氣體感測晶片製作，及手機操控可攜式氣體感測器建構。感測材料為氧化銅／金／氧化鋅三元奈米複合材料，以低溫化學製程製作，可於四吋矽晶圓上批量生產。感測器由手機操控，結合人工神經網路智慧運算程式，可即時偵測環境二氧化氮濃度，並可上傳雲端。感測器最低偵測濃度為 5 ppb，範圍為 5 至 1000 ppb，已在環保署監測站完成場域測試及數據比對，可在高溫高濕環境工作，符合環境空氣品質監測要求。

氮氧化物氣體感測器研製與特性分析 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

洪瑞華, 澹台富國, 李維中

利用有機金屬化學氣相沉積系統生長氧化鎵鋅 (ZnGaO, ZGO) 單晶薄膜在藍寶石基板上，並將此薄膜應用於氣體感測器。由於此三元氧化物半導體具有較寬的能隙 (~5.2 eV) 且表面上具有較多的氧空缺，故製作成元件後在可見光範圍操作較為穩定，而表面上的氧空缺會使氧氣吸附，在感測氣體時與待測氣體產生交互作用。相較於相同濃度之其他氣體， ZGO 薄膜對於氮氧化物 (NO_x) 氣體的響應度較高，故以一氧化氮 (NO) 作為測量氣體。本文同時也分析氣體感測的機制，我們分別探討了薄膜含鎵量不同對於氣體響應度的影響並探討氣感反應之特性與機制。

高靈敏度二氧化氮氣體感測晶片 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

薛丁仁, 張宸銘, 范書豪

全球電子工業迅速的發展，進而帶動城市快速進步，人們在生活環境越便利的同時也帶來其他影響。由於高發展地區人口密度逐漸上升，隨之帶來汽機車及工業廢氣的排放，導致居住環境空氣品質受到嚴重影響。在這些空氣污染中，二氧化氮 (NO₂) 是一種具有刺激臭味的赤褐色氣體，易溶於水反應成一氧化氮 (NO) 和硝酸 (HNO₃)，成為酸雨的主要物質，也是 PM2.5 生成源之一。此外，吸入 NO₂ 會造成呼吸系統損害，長時間生活在此環境下，容易造成不可逆之呼吸器官傷害。氣體感測器的技術開發，有益於預防及發現污染的源頭。本團隊依據戶外環境開放空間的各種條件，開發具選擇性且高靈敏度之 NO₂ 氣體感測器來監控空氣汙染品質。目前研究結果之 NO₂ 感測器模組已可測得濃度 < 120 ppb、精準度± 30% 且與環保署測站比對，決定係數 (R² ) 最高達 0.569。

具陣列結構之表面聲波氣體感測元件 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

柯雅馨, 陳政翰, 蕭育仁, 吳信賢

有鑑於對空氣的品質及人體健康，在氣體汙染方面的監測是非常重要的課題。而對於理想的氣體感測器需要符合以下要素：低成本、選擇比、微型化、低消耗功率、反應時間快速、良好再現性、高穩定性。在眾多感測器之中，表面聲波感測器元件由於靈敏度、高可靠度、體積輕巧以及價格低廉等優勢，搭配特定感測薄膜即可檢測不同氣體，因此成為本研究所選之感測器。該感測器使用半導體製程在壓電基板上製備指叉式金屬電極，並覆蓋感測薄膜。薄膜的質量隨著其材料選擇性地從空氣中吸附化學物質而增加，這會導致共振轉移到略低的頻率，從而獲得有關空氣中特定氣體種類的濃度變化。

光學式二氧化氮氣體感測系統 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

鄭杰晰, 王俊凱, 邱裕中

基於因應在 NO₂ 氣體感測之「廣布建置」與「簡單維護」之需求上，本團隊開發光學 式 NO₂ 氣體感測系統，感測晶片從磊晶結構設計、磊晶成長、晶粒製作、晶粒封裝、光路 系統開發整合到最後實測與修正皆為國產製造，成本較傳統高階儀器便宜許多，並且在感測元件上已進入小量產階段。感測晶片透過磊晶結構的光學設計，特別針對 NO₂ 氣體光吸收頻譜進行設計，因此該晶片只會對特定區域範圍之光能量進行反應，並產生相應電流值，如此可以排除環境其他光線之影響。系統預設置於嚴苛環境，因此在設計上採高規格，通過 IPX3 防水認證，並於環保署台南測站上方裸落環境中連續測試長達 2 年。在特色上具有不需耗材、容易維護、瞬間反應、解析度達 2 ppb 等特點，在與環保署台南測站數據比較，決定係數高達 0.786。

科儀專欄

提升液態透鏡共焦模組之形貌掃描速度 －連續式三角波同步驅動搭配資料擷取裝置 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

呂國豪, 盧柏榕, 劉兆峰, 鄭璧瑩, 翁俊仁

本研究為將液態透鏡的連續式變焦技術整合於共焦測距系統上，發展待測物曲面形貌量測系統。實驗使用三角波驅動模式搭配 DAQ 連續接收模式用於資料擷取，本研究設計 DAQ 操控程序為自啟動後可以連續掃描擷取一整列的待測點資料，搭配程式的訊號分析演算法來提升連續多點的量測速度。在 20 Hz 的三角波驅動下，可以達到每點 50 ms 的量測速 率，此方式達成 5.8 倍速度的提升，未來將三角波頻率提升，液態透鏡變焦頻率能有大幅提升速度。以此量測系統搭配二維移動載物平台對標準階梯鋁塊做形貌掃描。本研究的實驗數據顯示經過量測速率與精度改善後，應用液態透鏡搭配共焦量測系統可明顯提高量測速度。

科普大觀園

邁向智慧環境 AIoT 時代的利器 －晶圓級氣體感測器高效能點測系統 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

陳銘福

世界首創「晶圓級氣體感測器高效能點測系統」，於晶圓階段即可測試氣體感測器 (感測晶片) 效能，且可同時測試多顆，不但大幅縮短檢測時間，且可提早於封裝前即查知每顆晶片的品質與分級，大幅降低封裝資源浪費；另外亦可回饋測試結果，據以改善製程，提高生產效能與品質。