2014年7月31日晚間，高雄發生丙烯氣爆意外，造成32人死亡、321人受傷，多條重要道路嚴重損壞。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。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。在高雄氣爆發生後，國家實驗研究院奈米元件實驗室（奈米中心）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。

(圖一) 國研院奈米中心研發之「智慧型氣體感測晶片」。左起：封裝前的氣體感測晶片約針孔大；封裝前的氣體感測晶片比一粒芝麻還小；封裝後的氣體感測晶片約3毫米x 2.35毫米x 1毫米。

現有氣體感測器產品功能不足

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

國研院奈米中心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」。

(圖二) 國研院奈米中心和光寶科技合作的酒精感測鑰匙圈。

「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，國研院奈米中心開發出體積僅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。

(圖三) 國研院奈米中心運用獨特之半導體奈米技術，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」，可精準辨識氣體，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

國研院奈米中心已創全球業界之先，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。國研院奈米中心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。

國研院奈米中心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。