国研院研发智慧型气体感测晶片，提高监测效率防意外

2014 年 7 月 31 日晚上，高雄发生丙烯气爆意外，造成 32 人死亡、321 人受伤，多条重要道路严重损坏。如果爆炸现场附近有够多的气体感测器，第一时间测知具高危险性的挥发性有机物大量外洩，也许就可以阻止惨剧发生。

目前市面上的气体感测器，体积都很大，只能安装在固定位置，或是手持侦测。在高雄气爆发生后，国家实验研究院奈米元件实验室开始研究可以直接安装在智慧型手机或手錶中的"智慧型气体感测晶片"，与固定式环境感测器互补，让人人皆可随身携带，大幅提高感测範围，加强保障生命财产安全。经过近两年的努力，目前已经领先全球，开发出挥发性有机化合物、一氧化碳、二氧化碳、甲醛等 4 种气体的感测晶片。

 

现有气体感测器产品功能不足

根据国际数据资讯公司（IDC）研究估计，全球物联网（Internet of things，IoT）市场规模在 2020 年将可达 1.7 兆美元，而穿戴式及携带式产品是其中很重要的产品。在穿戴式及携带式产品上安装的感测器中，用于呼吸分析（如酒测）与空气污染用的气体感测器，则被预测为最有可能的应用之一。法国市调机构 Yole Development 预估，2021 年气体感测器的使用量会从 2014 年的 120 万个，增加到 3 亿 5000 万个，成长约 300 倍，产值将超过 20 亿美元。

为準确侦测气体流量与种类，目前市面上的气体感测器体积都偏大。近几年出现的半导体气体感测器雏形，大小虽可缩小到 1 公分以下，但对于携带式（如智慧型手机）或穿戴式（如智慧型手錶）产品而言，仍嫌太大，且无法和智慧型手机或手錶的晶片整合，又有耗电量大、无法精準辨识气体的缺点。

▲ 封装前的气体感测晶片比一粒芝麻还小。国研院开发"智慧型气体感测晶片"  人人皆可随身携带

国家实验研究院奈米元件实验室运用过去累积的微机电製程经验，与光宝科技光机电整合技术合作，花费近 2 年时间，开发出可应用于环境的物联网晶片"智慧型气体感测晶片"。

"智慧型气体感测晶片"是以"金属氧化物半导体材料"做为气体感测薄膜，透过不同金属氧化物与气体在特定高温下的氧化反应及还原反应，藉由感测薄膜与电子之间的抓放过程，改变薄膜的电阻，以侦测气体种类与浓度。

▲"智慧型气体感测晶片"结构。

"智慧型气体感测晶片"有两大技术特点：一、运用独特的奈米粒子和奈米孔洞技术製作感测薄膜，不但可增加表面积，提高反应灵敏度；亦可藉由不同金属奈米粒子的特性，感测特定气体而提高专一辨识能力。二、开发出特殊的"低应力介电层"，可以提升隔热效果，将感测薄膜所需的 250℃ 高温侷限于极小範围内，如此可以缩减晶片体积，而不致让此高温对不耐高温之部分造成损坏。

藉由这两项技术特点，国研院奈米元件实验室开发出体积仅 3 毫米×2.35 毫米×1 毫米的"智慧型气体感测晶片"，具有微型化、低耗能、可整合于智慧型手机或手錶、可精準辨识气体等优点，让"人人随身携带气体感测器"成为可能。

 

避免高雄气爆事件再度发生  推动国内感测技术发展

国研院奈米元件实验室已创全球业界之先，成功製作出可直接安装于智慧型手机的气体感测晶片。如此一来，即可从现有针对空间环境进行侦测的技术，进化至以"人"为中心的环境监测模式。若未来所有气体感测器的资料均即时上传云端，政府相关单位可即时监测各地环境品质，万一又发生像丙烯这种挥发性有机化合物的外洩事件，警消或环保单位可提早警觉、立即处理，也许就可以避免类似高雄气爆的事件再度发生，或至少可大幅降低伤亡人数。

近年来个人物联网或穿戴式装置使用的各式感测器，已逐渐应用于消费性电子、智慧住宅、保全监控、健康照护、交通运输、百货零售及警急救难等领域。国研院奈米元件实验室已成功开发出一氧化碳、二氧化碳、甲醛及挥发性有机化合物的"智慧型气体感测晶片"，未来除持续开发更多类型的气体感测晶片外，并将进一步推进到工业级及人体照护级的複合式气体感测需求。

国研院奈米元件实验室并将建置一开放式製程技术服务平台，让国内产学研究团队可以进行物联网晶片所需的系统整合工作，以继续协助推动国内物联网穿戴式产品与生产力 4.0 所需的感测技术发展。