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