臺大研發矽光子長波紅外感測器:室溫即時感測可燃與高氣爆風險氣體

隨著能源與石化產業的蓬勃發展並與城市共存，監測可燃氣體外洩與降低氣爆風險日益重要。2014年高雄氣爆事件中，由於無法即時辨識外洩氣體丙烯 (C3H6) 種類與位置，錯失關鍵的應變時機，造成嚴重後果。因此，如何即時偵測可燃與高氣爆風險氣體外洩，並及早發出警示，成為城市友善與安全的重要課題。

臺大材料系特聘教授陳學禮研究團隊與臺灣半導體研究中心賴宇紳、陳仕鴻研究員合作，成功研發出可於室溫運作的矽光子長波紅外氣體感測技術。該裝置透過紅外光指紋區中的特徵吸收訊號，精準感測與辨識可燃氣體丙烯 (C3H6) 與甲烷 (CH4)，並具高選擇性與即時偵測能力。此項研究成果於2026年3月發表於重要國際期刊Journal of Hazardous Materials。

傳統氣體感測技術多採用電化學或金屬氧化物半導體感測器，需藉由外加電力驅動以產生可量測訊號，且常需在攝氏數百度高溫下運作，以促進氣體與材料表面的氧化還原反應與吸脫附作用，對可燃與高氣爆風險氣體的感測具額外風險。且其反應時間往往需持續於高溫下數十秒至數分鐘以上，難以即時感測快速變化的氣體濃度。即使欲採用傳統紅外光學偵測方法，高雄氣爆元兇丙烯 (C3H6) 在紅外光波段的吸收訊號相對微弱，偵測難度極高。因此，過去針對丙烯的長波紅外光學感測元件的研究非常有限。臺大研究團隊鎖定丙烯在11微米以及甲烷在7.8微米的特徵吸收波長，分別設計高氣體選擇性感測元件。

矽是半導體產業中最重要的材料，矽光子相關研究亦為全球與臺灣半導體及光電領域的重要發展方向。此外，因矽半導體的能隙限制，一般矽光偵測器的截止波長約為近紅外1.1微米，難以直接應用於長波紅外光偵測。為克服此限制，研究團隊在此矽光感測器設計微奈米尺度的金屬結構，使入射的長波紅外光在金屬中產生表面電漿共振與激發熱載子效應，增強特定波長的光吸收與感測，突破傳統矽光子元件無法在長波紅外偵測上的限制。

研究結果顯示，該設計的矽光子感測器的偵測極限遠低於丙烯、甲烷2種氣體的爆炸下限濃度，能在氣體達危險濃度前及早預警，並且對其他常見氣體亦具有良好的選擇性。此研究的重要突破在於利用矽製程開發長波紅外氣體的矽光感測器，且該裝置無需以高功率驅動並且不需冷卻系統即可於室溫下運作。未來此技術有望應用於工業環境監測、能源設施以及智慧城市系統，建構可燃氣體外洩與氣爆的即時監測與預防能力。

此合作研究由臺灣大學、臺灣半導體研究中心等單位共同參與。研究經費與設備支援由國科會、國研院臺灣半導體研究中心及教育部高教深耕計畫「臺大新穎材料原子級科學研究中心 (AI-Mat)」支持。

研究成果全文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389426006072