矽光子感測技術賦予AI在嗅覺上的感知能力。圖／台灣奈微光
【記者謝振寶/科技綠能】AI風起雲湧，成為經濟成長的動力。然而AI需要大數據與演算法的支援；而大數據的一部分則需要各式的感測技術來產生Data，以形成所謂的AIoT。現今AI機器人多依賴視覺上的感測能力，故在人類所謂的“五感”中，尚缺乏嗅覺與味覺能力。
矽光子感測技術將在AI機器人的嗅覺感知能力方面扮演了關鍵角色。傳統上，人工智慧的感知系統僅止於視覺、聽覺與觸覺，而嗅覺與味覺因為複雜的化學反應及多變的分子組合，一直是技術上的難題。然而，矽光子技術的出現讓這一情況有了突破，其整合多種感測之能力非傳統電化學技術（electrochemical）或化合物半導體（Compound Semiconductor）技術所能比擬。
矽光子技術能將光學元件整合至半導體中，再運用干涉或NDIR的吸收等原理，以及數據運算，能夠精確地辨識與解析氣味分子，甚至即時分析複雜的氣體成分，使AI能夠辨別和學習各種氣味，還可進一步發展多種應用，例如健康偵測、食品安全和環境監測等。未來隨著矽光子技術的進步，AI的嗅覺能力在精確度與反應速度上將不斷提升，這將進一步豐富AI的感知系統，達到更全面的人機互動體驗。
本文即簡介各式感測的市場趨勢，以及矽光子感測原理，以推廣矽光子技術及應用。
感測器之市場與應用趨勢
IDTechEx 預測，全球感測器市場受到人工智慧（AI）、6G網路和物聯網（IoT）等趨勢的推動，將在2035年達到$2,530億美元。感測器作為物理訊號的轉換元件，已廣泛應用於通信、交通、醫療、工業和能源等領域。2025年，成熟的感測技術包含化合物半導體、光學、電化學感測器仍將主導市場。然而，隨著新興技術如矽光子感測的強勢發展，製造商紛紛探索新興技術與應用，並著重於提升感測精度、功耗、輕薄短小，以及多功能的整合度，以便迎合連續性的即時監測需求，以及穿戴式裝置。
在未來的交通領域，感測器在電動化、車內外監控、自動駕駛等應用上發揮關鍵作用。例如，自動駕駛和電動車的發展帶動了電池監控、雷達和LiDAR感測器、飛時測距（ToF）等需求。而在車內感測方面，汽車座艙內的空氣品質逐漸為人所重視！感測器即可監測車內的各類空氣汙染，包括 PM2.5微粒、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2），和氮氧化物等各類揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)。甚至強制汽車內部裝設酒精感測器之法規也正在被討論當中，以降低酒後駕駛事件。
矽光子感測應用在車內空氣品質測。圖／台灣奈微光
矽光子感測不論是在穿戴式設備，或是物聯網（IoT）和環境監測的應用都深具潛力，特別在健康和工業應用上。智能手錶和健身追蹤器的成功，以及血糖監測市場的革新，顯示出該市場的潛在機會；物聯網應用則涵蓋了物流、工業、建築、農業和醫療等市場；此外空氣品質監測需求也顯著提升。矽光子感測技術即可針對上述應用，提供一個嶄新的整合型解決方案。
氣體感測原理與設計結構
氣體的感測技術可運用NDIR（非色散紅外線吸收）作為偵測的原理。NDIR技術是一種利用紅外線光譜吸收特性來檢測特定氣體的技術。其原理是基於不同氣體分子對特定波長的紅外線有選擇性吸收。NDIR感測器通常包含一個紅外線光源、氣體樣品室、光濾波器和紅外線探測器。當紅外線通過樣品室時，目標氣體會吸收某一波長的紅外光，未被吸收的光被探測器接收並轉化為電信號，藉此推算出氣體濃度。這項技術具有高靈敏度、穩定性和長壽命，廣泛應用於二氧化碳、甲烷等氣體的檢測，適合環境監測、工業安全和醫療等領域。
矽光子感測原理
矽光子感測技術利用矽材料的光學特性來檢測和測量各種物理、化學和生物參數。其運用的光學基本原理主要是光的共振、干涉等現象。較常見的矽光子感測結構是光柵（Grating）；整體而言，不同的光柵結構會對特定波長的光有選擇性反射的輸出，便可以有選擇特定波長的功能。某些特定的波長可對應著檢測物體的特性，進而能得到檢測物體的參數。例如當溫度或物體應變改變時，輸出波長也會隨之改變，藉此可以用來進行感測。
所以干涉是矽光子感測最常用的光學現象，即當兩束光波相互重疊時，它們會呈現明暗條紋的干涉現象。這些干涉條紋對光程差（相位差）極其敏感，因此可以用來測量微小的位移、應變或其他物理量。
矽光子感測的另一種常見的基本結構是環形共振器（Optical Ring Resonator），或稱「微型共振環（Micro-Ring Resonator, MRR）」。當特定波長的光進入共振器時，在特定條件下，光會產生建設性干涉，進而形成共振。共振的光波可以被另一波導光路引導出去，也形成光譜濾波器。透過共振對特定波長的光極其敏感的特性即可用以檢測如溫度、壓力、化學濃度等，所引發的波長偏移。
所以基本上矽光子感測即運用了NDIR、光波導、光柵、干涉、共振等光學原理與現象，實現對各種物理、化學和生物參數的檢測。其優點包括高靈敏度、小型化、低成本，以及與現有半導體製程的相容性。這些優勢使其在各種應用中具有廣泛的潛力。
總結
矽光子感測技術為AI在嗅覺上的應用帶來了前所未有的突破。透過高度靈敏且精確的分子檢測能力，矽光子技術不僅能夠捕捉到微小的氣味變化，還能即時傳輸和處理數據，使AI能夠具備類似於人類嗅覺的辨識能力。隨著這項技術在AIoT領域的發展，未來可預見的是AI在感知上的全面升級，涵蓋從醫療診斷到環境監測等多元應用，進一步推動自動駕駛、智能穿戴和物聯網的創新與進步。矽光子技術將大幅增強感測器市場的競爭力，使其在精度、功耗和整合度方面豎立新的標竿，並創造諸多藍海市場。
(工商時報/2024.11.09)