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氣體感測器-打造電子鼻未來應用情境
ITIS智網謝孟玹
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一、嗅覺氣體感測器三大技術快速興起
伴隨空氣品質持續惡化,如何打造一具靈敏嗅覺之氣體感測器導入用戶生活週遭,以便能夠動態監測因應環境汙染問題,已成為近來產學研各界共同關注的重要議題。如以技術內涵來做區隔,大致可將氣體感測器分為MOS(金屬氧化物半導體)、IR(紅外線偵測)、Electro chemical(電化學)三大重點技術(見圖1);MOS係指將金屬半導體氧化物材料做成元件,透過與氣體相互作用產生表面吸附或反應進行量測,可以MEMS(微機電)製程大量生產,並常應用於空氣品質偵測。IR則是利用氣體對紅外線特殊波長的吸收特性,及氣體濃度與吸收量成正比之特性進行量測,常開發成微型光譜儀的型態用於食品偵測。Electro chemical則多藉由與監控氣體的反應製造出一與氣體濃度成正比的電流進行量測,常被應用於健康與疾病量測;相較於MOS與IR氣體感測器(Gas Sensor)多以MEMS製程進行生產,Electro chemical Gas Sensor則有不少產研單位以印刷式製程進行生產,開發出具軟性、可撓特性之印刷式氣體感測器。


二、「VOCs感測器陣列」+「多氣體識別演算法」軟硬體整合方案趨勢成形
就技術發展方向來做觀察,結合「VOCs感測器陣列」與「多氣體識別演算法」的軟硬體整合方案近來已逐漸成為大勢所趨,如下圖2所示,早期氣體感測器多以偵測低分子與成份濃度偵測精度較低的標的為主要量測應用對象(如氫與瓦斯洩漏偵測),然隨著層出不窮的空氣污染(NOx氮氧化物/SOx硫氧化物)、恐怖攻擊(毒氣、炸藥…)、食品安全(農藥殘留、腐壞食品)、慢性/重症疾病…問題急遽蔓延,也使市場對於氣體感測器偵測高精確氣體種類、成份、濃度產生各高的要求;著眼於此,可以預見未來氣體感測元件的設計開發,將逐漸由過去的單一元件走向高精度多感測器陣列型態,並搭配多氣體識別演算法協助,輔以AI/機器學習對不同氣體的pattern進行識別,同時逐步累積各種VOCs(揮發性有機物)之知識資料庫,以便完成後續的完整分析與氣體成份理解判斷。

三、應用情境1:動態空氣品質量測-執行智慧城市環保新目標
一旦上述軟硬體整合技術能夠在氣體感測器具體實現,則可望於未來大量應用於室外與室內空氣品質精準量測。如下圖3所示,目前歐美多國政府的智慧城市計畫已相繼導入各種氣體感測器可能應用情境,包括過去用於拍攝圖資的街景車可能被改裝成嵌入氣體感測器的空汙巡邏車,透過城市街道地毯式偵測建構動態高汙染地區地圖,藉此提醒高速公路/主要幹道/市區道路不同路段是否有空汙過高情形並即時示警,或將各種氣體感測器嵌入路燈,以及早偵測區域是否充斥過多NOx/SOx可能混合氣流雨水形成細懸浮微粒危害該區域行人之呼吸系統,此外也有國際大廠思考將氣體感測器整合至城市大型數位看板,以蒙娜麗莎微笑/哭泣圖像顯示區域空氣品質狀態,或如在單車盛行的歐洲地區多國政府也開始思考透過政策鼓勵將氣體感測器嵌入騎士單車,形成個人化移動空氣品質監測運具,透過各種創新應用方式落實智慧城市的環保新目標。

四、應用情境2:食品鮮度&環境氣味偵測雙管齊下-體現嗅覺/味覺融合理想                    
   而在食品安全偵測應用方面;目前在居家、零售、農業等場域也開始出現多種氣體感測器的創新應用方案(見圖4);如在居家廚房冰箱內嵌入具氣體感測功能之NFC標籤,用以偵測腐敗肉品產生的腐胺和屍胺,或將光譜檢測功能整合之手持裝置連結手機APP,透過簡單按鈕按壓方式,即可藉由不同波長對應之氣體濃度檢測出酒類/茶類/化妝品之年份與成份特性,取代過去品茶師/品酒師較冗長的偵測流程。更有甚者,也有國際大廠思考將大量氣體感測器廣泛布署於農業供應鏈各環節,以可視化顯示介面方式呈現出大區域範圍作物的成份濃度,進而建構出一農業作物成份變化的地圖模型。

五、應用情境3:健康疾病量測新境界-吹口氣即完成健檢                    
   而就中長期來看,如何將氣體感測器打造成一電子鼻,進而透過偵測人體呼吸成份進行疾病癥兆判斷,一直是科技界與醫界專家長久以來持續努力的目標與理想(見圖5)。舉例而言,人類呼吸氣體中所包含的丙酮、異戍二烯、氨…等VOCs分別可判斷出是否有糖尿病、膽固醇、肝腎衰竭…等慢性疾病徵兆,並可藉由偵測相關氣體成份濃度計算新陳代謝率/燃燒脂肪以利健康管理,並判斷是否有睡眠呼吸中止與肺病疾病預兆,且未來同樣可進一步整合更多多氣體辨識演算法與AI/機器學習軟體,透過各種呼吸圖案的變化判斷未來可能提供的藥物種類及數量,期望有朝一日能創造吹口氣即完成健檢的健康疾病量測新境界。

六、產業發展趨勢
綜上所述,可以得知氣體感測器不論在技術面與應用面皆蘊含了可觀的發展潛力,技術面不僅橫跨微機電、半導體、印刷式製程技術,也兼具光學與電化學多元化感測途徑,並有機會整合更多感測材料在效能上尋求進一步突破;而在應用面則兼具當前市場最關注的空氣品質、食品安全、醫療診斷等多元應用需求。觀察國內產學研發展近況,可發現目前產業界雖仍只有少數業者有能力進行商品化,但學研各界近年在氣體感測元件設計/構裝、材料、儀器…等關鍵技術耕耘皆相當積極,著眼於我國在感測元件所需之半導體/微機電製程與封測技術皆具備相當基礎,未來如能鏈結學研單位在感測元件設計/材料…等技術的研發布局,並由政府協助扶植更多多氣體辨識演算法/AI機器學習人才,補足氣體感測器在軟體部分的最後一塊缺角,則未來相當有機會在下一波嗅覺感測技術應用的市場競爭舞台脫穎而出,再創新局。

(本文作者為工研院IEK執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)
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