周明杰、林宏聲、柯呈達、陳志仁、莊俊德 / 工研院感測中心;林志遠 / 農業部水產試驗所
本文介紹以異質整合封裝光學晶片與抗菌鍍膜材料技術的結合,開發長效型水質溶氧感測器。溶氧為水產養殖業最關鍵的參數,除了與魚體生長相關,若無法正確監測更會危及整池魚貨生存,但目前除了完全依賴進口昂貴國外感測器,更有長效性不足的問題。實測目前養殖業使用的國外光學式溶氧感測器,依養殖場域水質差異,最快2天內即會因生物膜覆蓋感測頭,而讓感測值偏離20%以上失效,無法符合養殖需求。本文介紹工研院開發,具有長效準確、平價廣布等特點之光學式溶氧感測器,可降低人力維運成本,並達成與週邊設備(水車、投餵)智慧聯控,實現節能化、智慧化效益。目前實測長效性已可達7天,後續以14天以上,甚至1個月長效性為目標進行開發。
前 言
溶氧值為養殖漁業最關鍵的水質參數,但目前溶氧感測器(Dissolved Oxygen Sensing Module; 簡稱DO)完全依賴進口產品,且最大問題為感測器最快僅2天就會失效(準確度偏差>20%),7天就可能完全故障(溶氧值為0 mg/L)。然而水質設備廠商一般的維護週期為4週,導致大多數時間之溶氧數據並不準確,或更頻繁的維護導致高昂支出,使得本就昂貴的感測器建置價格更高,大多數漁民無法導入使用。工研院開發可長效準確、平價廣布之光學式溶氧感測器,準確度符合國際產品水準,並大幅增加了數倍的長效時間(至少14天以上),不僅可立即降低人力維運成本,當溶氧值正確時,可進一步達成與週邊設備(水車、投餵)的智慧聯控,實現節能化、智慧化效益。目前長效溶氧感測器已導入多個養殖場域,包含四草/竹北石斑魚、北門鱸魚、嘉義黃金鯧等戶外養殖場域,與屏東室內高度密集石斑養殖池,實地驗證確認感測器效果。
長效水質溶氧感測模組
1. 異質整合封裝光學晶片
目前市售溶氧感測器主要分為光學式與薄膜式兩種。薄膜式具有價格較低、反應速度快等優點,但也有維護工序複雜、耗氧產生量測誤差等問題,導致實際應用困擾;光學式則是近年來養殖業使用的主流技術。一般光學式溶氧感測器具有兩顆不同波長的光源,一顆為感測光源(450 nm)、一顆為參考光源(650 m),兩顆光源發出之光束會先入射至溶氧膜,再散射至感光元件。溶氧感測原理為感測光束入射至溶氧膜的螢光層時,會與水中氧分子產生螢光淬滅(Quenching)現象,而將感測光源波長(450 nm)激發為新的螢光波長(650 nm),透過偵測感光元件所收到的光強度或相位訊號,並比對參考光波段,再以感測系統進行精細的訊號處理,搭配計算溫度、壓力、鹽度等環境影響參數後,最後分析出水中溶氧濃度。傳統光學式感測器內部的光學元件,每一個均為獨立封裝,導致體積大、感測訊號易隨環境溫度、使用壽命等影響而產生測量誤差。工研院感測中心採用異質整合封裝技術,將多個不同波段之LED與感測PD、校正PD等晶粒,透過特殊的抗劣化共晶封裝技術,再搭配精微組裝技術,將窄頻濾光片、雜訊抑制機構、高效光學鏡頭等被動元件,全數整合至一TOCAN封裝平台上,實現光學溶氧感測器微型化(圖一);其中創新內建專利化光強度自補償PD設計,透過感測LED晶粒側面餘光,搭配迴授控制電路,實現感測光強度不會隨環境溫度與使用光衰等問題影響,確保感測器具備高感測準確度、高耐候性等特點。
圖一、專利化異質整合封裝光學晶片
2. 複合式長效抗菌技術
造成溶氧感測器失效的主因是水中生物覆蓋溶氧感測探頭,導致氧分子通過障礙而無法感測。故若要實現長效型溶氧感測器,則必須瞭解生物膜(Biofilm)成因,才能制定對策。而養殖水中生物膜形成來源,依主要成因可分為細菌(如大腸桿菌、葡萄球菌等)、浮游生物(如藤壺、管蟲)、微藻類等微生物。生物膜形成群落的過程則可分為5期,其中最重要需抑制的是第1期之初始附著期與第2期之不可逆附著期,才能避免生物膜產生群聚效應。
目前溶氧感測器廠商對於抑制生物膜危害之主流技術,主要有兩種:①機械刷:透過依附在溶氧感測探頭旁之刷子 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖二、長效光學溶氧感測器