陳一誠／工研院材化所
現代化工業與經濟蓬勃發展的國家，需要面對環境治理上NO2控制的環境平衡折衷點之困擾，建立環境物聯網來感測NO2有其重要性與挑戰度。NO2對人體呼吸系統有危害，被列為氣狀汙染物中毒性最強之氣體；它也是城市中生成光化學煙霧的主要成分與PM汙染粒子前驅物之一。在技術上，面對戶外ppb等級低濃度偵測與環境干擾因子有高困難門檻，因此，能夠符合物聯網化實用、大量布建、低成本的NO2感測器開發有迫切性。本文整理比較國際NO2感測技術產品，介紹國際機構AQ-SPEC對成熟的物聯網可實施的NO2偵測感測器產品之評估，並分享工研院材料與化工研究所參與執行環保署的環境品質感測物聯網推動計畫技術成果—成功開發NO2感測模組原型的產品資訊與心得。
【內文精選】
前 言
近年來氣候變化與自然災害帶來的影響日趨嚴重，另隨著經濟的快速發展，全世界正面臨過度「城市化」的挑戰，引發人們對環境永續的重視。世界衛生組織(WHO)指出，根據最新數據顯示：①全球約90%的人（全球總人口約76億人）呼吸、接觸汙染的空氣；WHO估計每年大約有700萬人因接觸到汙染空氣中可滲透到肺部和心血管系統的細微顆粒(PM)而死亡，或是導致中風、心臟病、肺癌、慢性阻塞性肺病等疾病，以及包括肺炎在內的呼吸道感染。②90%以上與空氣汙染有關的死亡發生在低收入和中等收入國家，主要位於亞洲和非洲，其次是東地中海區域、歐洲和美洲的低收入和中等收入國家。其中有約30億人口（多數為婦女和兒童）因家裡仍使用汙染性的烹飪燃料或技術（例如：燒柴、木炭等），而在室內呼吸著致命高汙染空氣。WHO對全球各區域每年因接觸汙染空氣導致死亡之統計分布概況如圖一所示。
圖一、WHO：全球各區域每年因接觸汙染空氣導致死亡之統計分布概況
台灣在全球《2020年環境績效指數報告》(Environmental Performance Index: 2020 Report)總體排名列為第40位。環保署之空氣品質指標值(AQI)，係為將空氣中汙染物濃度等數值，對人體健康的影響程度，換算出不同汙染物之副指標值（表一）。國內NO2的AQI標準(53 ppb)與歐盟/WHO標準(21.3 ppb)皆已明訂，NO2濃度管理被列為空氣品質評價考慮子項而不容忽視。先進國家要兼顧工業及經濟蓬勃發展與NO2控制的環境平衡是有挑戰，國際積分指標評比最優為丹麥，盧森堡其次，後續排名瑞士、英國和法國，前十名的國家都位於歐洲，日本是歐洲以外排名最高國家，排名第十二位。交通運輸燃油尾氣與工廠廢氣煙霧汙染源之NO2濃度管制被全球列為國家環境績效指數評分之一，如何在工業與經濟蓬勃發展之國家取得NO2控制的環境平衡折衷點（如氮氧化物：機動車輛和工廠排放）是環境治理的方向。國際上許多先進國家，近年來均積極投入環境物聯網(Environmental Internet of Things; E-IoT)設施建置或感測技術開發，朝建構一個與環境永續共存發展的智慧城市之目標邁進。
國際NO2感測器產品現況
環境偵測面臨兩大挑戰，主要為ppb等級的低濃度偵測與克服環境干擾之感測物種的選擇性。開發能夠大量布建的低成本NO2感測器有其必要性。目前商用金屬氧化物半導體(MOS)感測器元件規格產品屬工業安全用途有針對NO2的並不多，只有日本FIGARO與美國的Synkera，而這些是屬於MOS感測器中近台幣千元的高價格等級，且需要高的工作溫度而耗能高；近來SGX Sensortech也推出小體積低功耗元件。MOS技術在成本和尺寸方面占優勢，然而MOS感測器需要高溫工作溫度，因此在設計上解決功耗與封裝問題也變得越來越重要。此外，MOS感測器的靈敏度高易受干擾，而對於近環境背景值的低濃度ppb偵測需要解決方案。相較之下，電化學(EC)型的感測器訊號穩定性較好與線性度佳，但其價格較高，同時有電解液封裝與壽命問題。目前市售NO2感測元件規格表比較如表二。感測元件到物聯網可使用的感測模組還要經過電路設計與訊號處理…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表二、市售NO2感測元件規格比較表
★本文節錄自《工業材料雜誌》413期，更多資料請見下方附檔。