子計畫七：智慧感測
主持人：吳靖宙
團隊成員：吳嘉哲、溫志煜、蔡曉萍、葉鎮宇、斐靜偉、廖育德(交大)

(1)生物與化學感測元件開發：
​        植物耕種過程中，養液水中的溶氧量與土壤中的氧分壓與微生物菌相及植物根系的需氧量息息相關，如何快速與準確的檢測氣體中的氧氣濃度與水中的溶氧濃度為今年環境感測器開發的重點之一。目前吳靖宙教授實驗室已開發使用微機電製程製作之晶片式三極式電化學電極。工作電極由直徑50 mm的金薄膜盤狀陣列電極所構成，使每一盤狀電極能以半球形穩態擴散模式快速達到氧氣還原反應的穩定。藉由使用BMP-TFSI型離子液體可成為導電覆蓋層，導通工作電極、輔助電極與參考電極，在-1.3 V的電位下，在15 s內可測得穩定的氧氣還原電流，可直接使用量測土壤中氧分壓，在純氧到純氮的氧分壓實驗中，該電極呈現良好的線性與寬廣的線性範圍。此外，若在參考電極電鍍Ag與AgCl使之形成Ag/AgCl參考電極，並使用sodium alginate/KCl混合液為電解液時，搭配約30 mm疏水性薄膜在三極式電極表面的貼附，可構成一微型Clark電極。該電極可在水溶液中進行溶氧量測，其溶氧還原電流與溶氧濃度具有量好線性。所開發的氧氣電極，其電流範圍約在數十奈米安培。  此外，灌溉用水仍需注意是否有重金屬的汙染，在吳嘉哲教授團隊的開發下，以研發在可攜式水中重金屬檢測系統，結合拋棄式電極與可攜式電化學檢測儀，開發一套快速檢測鉛與鋅離子濃度的可攜式裝置。可以檢測0~150ppb鉛離子，具有良好的靈敏度及低檢測極限，最低檢測極限為0.5 ppb。成果可以檢測0~1000 ppb鋅離子，最低檢測極限為1ppb，三重複實驗下SD為1.11%。本技術量測時間只需5分鐘，可以為農業用水進行第一線的把關。成果已經與合作廠商簽訂先期技轉，未來合作廠商將把計畫成果商品化。

(2)低功率無線傳輸技術與系統整合：
​        因應通訊網路應用的需求，將整合生物與化學感測元件以及微型化電學量測晶片，對過無線傳輸將感測資料的收集、系統設計所涉及的關鍵軟硬體要件以及應用平台之關聯性，其中包含感測器、無線智慧閘道器(gateway)、伺服器、以及服務平台等等。目前已經完成遠距無線通訊通訊模組(LoRa Node-RYLR896)對傳測試與經由gateway接收模組傳送的資料並建立雲端資料庫(MySQL)，以方便資料管理與應用。主要包含(a)提供高度擴充性的感測資料收集與場域監控應用；(b)做為資訊分析與跨域整合的平台；(c)可針對應用需求發展適應性無線傳輸系統。
​        目前溫志煜教授與蔡曉萍教授團隊已經完成遠距無線通訊通訊模組(LoRa Node-RYLR896)對傳測試與經由gateway接收模組傳送的資料並建立雲端資料庫(MySQL)，以方便資料管理與應用。溫志煜教授與蔡曉萍教授則是以能設計出省電節能與安全性的無線感測網路應用為發展主軸；可針對電力消耗問題，運用「休眠」模式，提出各種不同的媒體存取控制通訊協定設計，以求大幅降低無線感測器的高負載作業時間，以達到節省電力消耗的目標，進而延長無線感測網路的有效工作時間。另外，在智慧農業應用的佈建中，利用嵌入式控制系統搭載各項感測裝置和致動裝置、電源模組等，進行環境的監控和控制，再透過無線感測網路將感測數據傳遞至後端雲端系統，建立各項感測數據資料庫，進行應用面和系統面效能分析，有助於智慧農業的網路系統和電力系統等的佈建和決策管理的依據。而監控系統中各感測元件的耗電和電力網路中鋰電池狀態是達成系統省電和安全的一個基礎步驟，根據感測和網路元件的電力消耗量以及電池的狀態，做為最佳省電和安全管理的決策分析和各致動器的控制，調整無線感測網路得運作模式和感測頻率等，使資源獲得更有效的分配和使用，系統配置包含溫溼度感測模組、電源SOC控制晶片與智慧控制系統進行澆水動作等，如圖一所示。
圖一 (a)溫溼度感測模組 (b) 鋰電池SOC監控與充電 (c) 智慧型澆水系統

(3)自主發電材料與儲能設備的開發：
​        在牧場中，由於動物的活動，照明的環境，可以產生各式各樣的能源。舉例來說，戶外活動與室內照明會有光能、動物的體溫會產生熱能、動物的運動會產生震動能。良好的將能源收集，將可達成局部供給能源給感測器使用。並將感測數據藉由無線系統回傳至中央控制系統，達成智慧牧場的目的。然而，這樣的能源，屬於分散式，通常為低功率來源，不敷無線系統與感測器使用。在這樣的能源中，光能較為豐富，本年度著重在將光能轉換成可用電能，應用於農業感知技術上，並提供能源給低功耗無線傳輸系統，以收集數據。應用光能，需要光感應介面。
​        此部分的成果在團隊努力下，進行室內光太陽電池與儲能設備的開發。主要可分為高效率染敏材料及電洞傳輸材料等。在高效率染敏材料方面，將合成具有推-拉電子基及擴充-系統之紫質及各種顏色之有機及紫質染料，並將其應用於高效率光敏染料太陽能電池(DSCs)上，使其同時適用於太陽光及室內弱光下的高效率發電。我們將以高效率的YD2-o-C8、可放大量生產的Y1A1及高效率有機染料TY6的結構為主，進一步修飾推電子基、拉電子基及紫質環上的芳香基。而在高效率電洞傳輸材料方面，也將同時開發有機及紫質為主之材料，並以紫質材料Y2及WT3為基礎，進行最佳化的分子設計，藉由擴大紫質與官能基間的共軛性、或推-拉電子性的分子設計，來增加分子的電荷傳輸效率、改善薄膜外觀型態，藉以來提升。此外，本團隊也合成出另外兩種有機染料，包括porphyrin-based (SK6)與anthracene-based (CW10)，並探討這兩種染料在染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSSC)的應用，測試環境包括標準的one sun (AM 1.5G)強光與室內弱光。SK6與CW10的合成步驟簡單，單獨使用於DSSC並在AM 1.5G的光照強度下，分別可達到5.42 %與5.75 %的光電轉換效率。若進一步將SK6與CW10同時加入DSSC中，透過共敏化(co-sensitization)的程序，光電轉換效率可進一步再提升至6.31 %，其特性如圖二所示。本計畫成果的另一項特點是SK6與CW10共敏化在弱光下的應用，在T5燈管提供弱光的光照情境下(6000 lx)，DSSC的光電轉換效率大幅度提升至22.91 %，其中JSC = 0.883 mA cm−2，VOC = 0.646 V，FF = 0.749，功率輸出為426 μW cm−2。本計畫的成果顯示SK6與CW10非常適合DSSC的使用，也由於合成步驟簡單，極具未來量產應用的價值。
圖二 使用SK6與CW10有機染料進行光電轉換結果

​        另外欲使一低電壓系統產生電能，團隊設計了電路應用低功耗IC，能將此一低電壓能源，轉換成一般電池所使用3.3 V能源，並進行電路應用。核心I最小之啟動功率為15μW；最小啟動電壓為330mV；超低靜態電流：IQ < 330nA；啟動後輸入電壓：130mV~3V；電池充電保護架構：可調整之上下界電壓保護區間、溫度保護架構；具有MPPT架構 (Maximum Power Point Tracking)。因此符合需要。經過升壓轉換，預計的輸出電能將儲存於鋰電池當中，具有電能特性為：輸入電壓：0.6V ~ 0.75V；提升後電壓：4.3V；鋰電池最大電壓：3.7V；鋰電池最小使用電壓：3.3V，足以讓感測器與無線系統啟動。所使用的光能電池，外觀如圖三(左、右)，並分別具有(左) 面積大小：~8135 mm2 ；正常室內光照下(日光燈)：VOC=0.612V；於檯燈光照下(白光)：VOC=0.669；充電電壓上升至1.8V，達到啟動電壓之時間：<0s；充電電壓上升至4.2V，達到輸出電壓上界之時間：<0s 的電能供應能力。與 (右) 面積大小：~940 mm2 ；正常室內光照下(日光燈)：VOC=0.656V；於檯燈光照下(白光)：VOC=0.725V；充電電壓上升至1.8V，達到啟動電壓之時間：<0s;充電電壓上升至4.2V，達到輸出電壓上界之時間：~20s。
圖三 光能電池封裝後之實體圖

​        在農牧場裡畜養動物的健康狀況是相當重要的，我們以此能源，結合心律感測元件與無線傳輸系統，能完整偵測牧場中動物的心律狀態。本年度完成心律感測展示。經過連結染敏電池，使用時間可以延長約一倍。
圖四 光能電池使用在穿戴式心率感測器與經時性功率消耗曲線
 
圖說：興腎力團隊由中興大學機械所吳嘉哲教授（左3）及瑞霸生技丘兆欽（右1）及興腎力團隊機械所同學共同開發技術
「興腎力」團隊由興大機械系副教授吳嘉哲整合中國醫藥大學內科部與興大機械系生物醫學檢測研究團隊，並與台中榮民總醫院及瑞霸生技共同合作，開發出全世界首創以電化學來檢測器官移植患者血中免疫抑制劑濃度晶片，包括「拋棄式奈米電化學晶片」與「可攜式電化學儀」的生醫檢測平台。獲得教育部青年發展署創新創業計畫新台幣50萬元創業獎勵金。