智慧感測科技 讓民眾生活與半導體產業都受惠

calendar_month 07/03/2023
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智慧感測科技 商機大無窮

伴隨物聯網應用蓬勃發展 經部技術處扮推手 助廠商加速相關產品商業化時程 搶攻市場

物聯網應用逐漸普及,其中位於最前端資訊蒐集的感測器扮演關鍵的角色,因為一旦感測蒐集的資訊錯誤,後續即使有再快的資料傳輸速度及更高運算能力,最後回饋的反應指令也不會是正確的決策,例如一個溫室的環境感知維護系統,若總是感測到錯誤的溫度、濕度或是空氣品質,則控制中心系統對溫室的即時反應控制,必定不會是最佳結果,由此可見感測科技的重要。

空品感測器可安裝於燈桿
空品感測器可安裝於燈桿

現今感測科技已由早期的單一感測演變至多元感測,甚至部分資料不需上傳雲端,在感測端即能進行邊緣運算做出更即時的反應,真正達到萬物互聯,同時進入理解、判斷、行動三位一體之全新境界。

後疫情時代驅使人們更重視身體健康維護,因此包括醫療科技、健康飲食、空氣品質監控及飲水資源管理,也成為近年來物聯網應用當中最受到市場關注的焦點。根據McKinsey調查顯示,2025年環境治理相關的物聯網應用市場值約7,000億美元,占整體物聯網市場18%,而和人體健康相關的應用約4,000億美元,占10%的應用比重。

從2023年的美國消費電子展(CES 2023)中可以看到許多新型單項感應檢測工具,分別強調輕便、隨時隨地檢測、長時間連續檢測等特點,應用類型涵蓋健康監測、醫療檢測等。

例如,呼氣病毒檢測器將設置開啟後,進行二次吹氣,可在一分鐘內進行包括流感、COVID-19、RSV等病毒檢測,呈現陽性(紅色)及陰性(綠色)的結果,可作為快速檢測的第一道手續。

又如裝置在馬桶內的尿液感測器,可針對尿液進行質量及酸鹼性的檢測,並透過內置的WiFi模組將資料傳送至雲端進行分析。其他包括腦波量測、足底壓力、皮膚感測等皆可有效判斷生理狀態,以進行預先的疾病防護。

空氣品質也是智慧感測重點應用領域。空氣品質與呼吸道疾病相關,常見的總揮發性有機化合物(TVOC/VOCs)、室內環境塵蟎、為達到木製家具耐用性而塗上的甲醛、封閉浴廁容易產生一氧化碳/二氧化碳以及居家中各種環境過敏原,都可能對嬰兒睡眠、主婦灑掃、長輩起居產生安全威脅。若能開發出相關氣體感測技術,則可望及早量測並因應,避免後續可能的身體傷害。

經濟部技術處支持台灣發展氣體感測技術,以科技力守護全民健康,委託工研院開發「複合式空品感測器技術」,利用光學檢測方式,偵測空氣中PM2.5懸浮微粒與臭氧濃度;藉由氣體奈米感材搭配微型加熱晶片,來偵測一氧化碳(CO)、總揮發性有機氣體(TVOC)等有害氣體與異味氣體濃度,可提供民眾更安心的空氣品質生活環境。

在居家疾病監測方面,每次呼吸有可能吸入千種以上化學成份,未來如能精準擷取粒子數量偵測呼吸中的微量化學成份濃度,則可進一步分析生命體徵與疾病徵兆。整體而言,一旦未來呼吸檢測技術能有所突破,將可經由量測異戍二烯、氨、甲烷等呼吸氣體成份,判斷可能的膽固醇、肺部、腸道等疾病,透過氣體感測技術同時確保環境品質與身體健康。

個人智能健康感測應用。工研院/提供
個人智能健康感測應用。工研院/提供

水質監控也很重要,主因工業化與都市化發展快速加上台灣腹地狹小,近年國內常有工業區水汙染外溢至住宅區的情事發生,導致民生水質變化,也進一步驅動未來的水質監控需求及市場商機,包括監測原水及清水水質、偵測氧化還原電位(ORP)控管消毒效率、二次供水用戶端之水質監測等,皆是未來可能的水質感知科技應用發展方向。

伴隨物聯網應用的蓬勃發展,全球感測器市場競爭者眾,然而台廠不若國外競爭廠商具有垂直整合的龐大集團資源,往往在新產品及新應用的競爭上居於劣勢,為提高台灣感測器廠商競爭力,技術處委託工研院團隊打造「半導體智慧感測晶片快速試製驗證平台」,透過試製驗證平台,可將廠商新的感測器元件設計、製造及驗證快速整合並回饋給廠商,大幅縮短產品開發及商業化的時程,更加符合物聯網快速多樣化的市場特性,實質提升台灣感測器廠商競爭力,以迎接龐大的潛在商機。
(作者董鍾明;經濟部技術處產業技術基磐研究與知識服務計畫成員)


複合式監測 守護民眾健康

水質感測系統安裝於灌溉/民生水域,可同時檢測化學需氧量、水中固體懸浮物等多項水質監測項目。工研院/提供
水質感測系統安裝於灌溉/民生水域,可同時檢測化學需氧量、
水中固體懸浮物等多項水質監測項目。工研院/提供

氣候變遷的影響下,國際重視環境變化,降低汙染並追求淨零排放,對環境感測有高度需求,各國政府積極以物聯網技術應用於環境品質感測及數位智慧治理,期達到環境汙染改善,成為智慧城市發展的未來趨勢。

我國政府也運用物聯網技術,藉由蒐集空氣品質、用水品質等環境感測資料數據,為民眾的生活環境把關,但市售感測器在戶外布建,仍有精準度及長效性不足的問題。為提高感測能力,精準因應環境問題,經濟部技術處藉由科技專案推動智慧感測技術與產業發展,以科技專案委託工研院開發「複合長效空品及水質物聯網感測器」,克服感測物聯網布建的關鍵問題。

空氣品質感測部分,政府過去以建置空品標準測站來收集台灣各地的空氣品質資訊,雖準確度高,但因建置成本高、空間需求大,無法廣布至各鄉鎮,區域監測效果有限且無法提供即時資訊。科技專案支持工研院開發「複合式空品感測器技術」,利用光學檢測方式,偵測空氣中PM2.5懸浮微粒與臭氧濃度;藉由氣體奈米感材搭配微型加熱晶片,來偵測一氧化碳(CO)、總揮發性有機氣體(TVOC)等有害氣體與異味氣體濃度。

目前空品感測器已於全台布建達3,016點,布建區域分布住宅區、工業區、國際港區及交通熱點,有效即時掌握空品變化與逸散流向。舉例來說,以往民眾檢舉空汙事件,汙染物質因大氣擴散作用,導致稽查人員接受通報趕往現場時,往往無法找出汙染來源,「複合式空品感測器技術」因其成本低、準度高、反應快,且體積小、耗電量低,使用壽命可達二年以上,相較標準測站可廣泛安裝於住宅與工廠屋外、路燈、公車、公共設施等處,能大量收集各鄉鎮區域監測資訊,第一時間掌握空汙事件發生,提供政府與環保單位汙染熱點偵測與溯源分析資訊,作為執法與改善依據,並且可在空品事件初期即可通知民眾進行防護與疏散,為民眾建立安心生活環境。

空氣之外,水也相當重要。台灣河川汙染源自於日常生活汙水、畜牧廢水及事業廢水,廢水未經妥善處理排入河川,嚴重影響河川水體以及土壤,過去國內大型水質監測站受地理環境與建置成本的限制,無法廣布;目前市售聯網水質感測器皆易受水中微生物干擾而影響感測器效能,需要人力實地採檢取樣與頻繁維護,導致實用性不佳。

經濟部技術處委託工研院團隊研發「複合式水質感測系統」,以多通道光譜檢測技術,可同時檢測化學需氧量(COD)、水中固體懸浮物(SS),重金屬銅離子(Cu2+)濃度、導電度、酸鹼值、溫度等。並以光學抑菌方法,抑制水中菌種增生速度,避免影響感測器準確度,延長感測器壽命,同時搭配水體取樣設計、最佳化電源管理技術,減少人工維護頻率,達到長效運作效益,除例行性工業與民生用水監測,亦可建置在無法供電的水源區、河道、溝渠等,擴大監測覆蓋範圍,搭配物聯網技術動態掌握水質資訊,守護民眾用水安全。

環境保護、社會責任與永續經營(ESG)已成為企業營運的重要指標,推動智慧感測產業將有助企業將環境感測器導入高汙染廠區、工廠生產線與廢氣廢水排放監測,進行自主管理,不僅能善盡企業社會責任與自然環境友善,更帶動台灣智慧感測產業鏈發展。
(作者王俊堯;經濟部技術處複合長效空品及水質物聯網感測器開發計畫主持人)


晶片驗證平台 半導體利器

隨著物聯網、電動車及人工智慧(AI)等新興科技的興起,車用及智慧感測晶片成為半導體產業發展的關鍵技術,帶動全球半導體產也蓬勃發展。

不過,根據DIGITIMES Research的統計資料顯示,2022年台灣半導體產業中,上市櫃公司的產值為1,748億美元,其中採用IDM模式的廠商其產值僅占5%,顯示台灣半導體產業居於全球領先地位的主因,來自非IDM廠的供應鏈整合;然而國際上車用及感測晶片領導廠商多採用垂直整合製造(IDM)模式,此模式對於整體流程具有自主控制權,墊高產業進入門檻。

圖/經濟日報提供
圖/經濟日報提供

為推動台灣感測晶片產業切入車用及智慧感測晶片領域,並協助業者跨越產業進入障礙,經濟部技術處藉科技專案打造「半導體智慧感測晶片快速試製驗證平台」,以智慧製造、感知物聯網所需之智慧感測器為研發建置標的,發展智慧感測器製程整合驗證技術與平台環境建構,串聯設計、製造、封裝等產業,為台灣半導體產業打造「虛擬IDM聯盟」的合作模式。

快速試製驗證平台重點技術。工研院/提供
快速試製驗證平台重點技術。工研院/提供

除上市櫃公司以外,根據台灣電子設備協會(TEEIA)的資料統計,台灣的電子設備產業中,中小企業的比例高達90%,其中不乏該領域的隱形冠軍,密集的半導體產業聚落更是台灣發展優勢,若能串聯彼此的能量,將能為台灣半導體產業的產值帶來巨大的「長尾效應」,由科技專案支持的「半導體智慧感測晶片快速試製驗證平台」委由工研院研發,提供基礎設施、環境與專業技術服務,協助業界技術創新,並且開創新商機。

「半導體智慧感測晶片快速試製驗證平台」可透過整合設計/元件研發製造/模組化技術,進行感測器新產品的概念驗證(POC),並協助廠商導入新產品的關鍵驗證階段(EVT/DVT),針對雛型品之工程、設計進行驗證,快速給予回饋,確認元件性能。在雛型品的驗證完成之後,平台亦可進一步進行試量產驗證(PVT),透過使用代工廠相容之材料,快速導入量產,亦可與代工廠進行設備整合,協力生產,有效加速產品開發及商業化的時間。

在此模式下,工研院團隊配合技術處,透過科技專案委託研發多樣智慧感測晶片,並協助多家廠商成功開發微系統智慧環境感測模組、感測溫溼度、壓力、氣體、紅外線感測器與水質等智慧感測晶片,並整合雲端技術取得元宇宙環境大數據,建立智慧製造、智慧生活的關鍵技術。
半導體智慧感測晶片快速試製驗證平台具備完整之4/6/8吋半導體研發線,並擁有半導體元件之豐富研發經驗,可快速切入半導體智慧晶片的製程研發需求。此外,由於平台擁有小量、快速、有彈性的優勢,可協助廠商在進行產品設計或製作雛型產品時,快速取得終端客戶的測試回饋。

目前此平台已協助數家廠商驗證其產品性能,並評估導入量產的可能性。未來將持續提供快速試製驗證模式的服務,期待能串聯台灣的半導體產業,同步升級,協助台灣在半導體智慧感測晶片的賽道上,占據一席之地。
(作者林靖淵;經濟部技術處新世代感測系統晶片發展計畫主持人)

本文同步刊登於2023/07/02經濟日報A11產業追蹤