LTCC-GASSET แพลตฟอร์มต่อยอด “วัสดุ” สู่ “เซนเซอร์ตรวจวัดแก๊สพร้อมใช้งาน”

สรุปใจความสำคัญ

ที่ผ่านมาประเทศไทยมีการวิจัยและพัฒนาวัสดุสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ขั้นสูงที่มีสมบัติตอบสนองทั้งความจำเพาะและความไวที่โดดเด่นเป็นจำนวนมาก และมีศักยภาพในการต่อยอดสู่ผลิตภัณฑ์แก๊สเซนเซอร์ ตลอดจนนวัตกรรมระบบตรวจวัดแก๊ส หากแต่กลับต้องเผชิญคอขวดสำคัญ คือ การเข้าถึงเทคโนโลยีการประกอบวัสดุเหล่านั้นให้กลายเป็นเซนเซอร์ และการพัฒนาระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อทำให้เซนเซอร์เหล่านั้นกลายเป็นผลิตภัณฑ์ต้นแบบ

กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) โดยศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) พัฒนา แพลตฟอร์มสำหรับสร้างเซนเซอร์และระบบตรวจวัดแก๊ส “LTCC-GASSET (แอลทีซีซี-แก๊สเซต)” สำหรับสนับสนุนการวิจัยต่อยอดวัสดุสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ขั้นสูงสู่ผลิตภัณฑ์นวัตกรรม

LTCC-GASSET ต่อยอด “วัสดุ” สู่ “เซนเซอร์พร้อมใช้งาน”

GASSET หรือ Gas Sensing with Easy and Effective Technology คือ ผลงานการวิจัยมุ่งเป้าเพื่อพัฒนาอุปกรณ์ตอบสนองแก๊สด้วยเทคโนโลยีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพ โดยนำ LTCC หรือ Low Temperature Cofired Ceramic ซึ่งเป็นเซรามิกเผาร่วมที่อุณหภูมิต่ำมาใช้เป็นตัวแปรสำคัญในการทำให้การขึ้นโครงสร้างเซนเซอร์ทำได้ง่าย โดยไม่ต้องอาศัยเครื่องมือขั้นสูงราคาหลักล้านบาทในการประกอบชิ้นงาน

ดร.คทา จารุวงศ์รังสี นักวิจัยทีมวิจัยเทคโนโลยีเซนเซอร์แสงไฟฟ้าเคมี เนคเทค สวทช. อธิบายว่า ปัจจุบันการผลิตเซนเซอร์ตรวจวัดแก๊สชนิดสารกึ่งตัวนำเชิงพาณิชย์ นิยมใช้เทคโนโลยีเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค หรือ MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ในการผลิต เพราะเป็นวิธีการที่เหมาะแก่การผลิตเชิงปริมาณ แต่ด้วยวิธีการนี้มีต้นทุนการผลิตที่ค่อนข้างสูง ทำให้ไม่เหมาะแก่การผลิตผลิตภัณฑ์ต้นแบบที่ยังอาจต้องมีการปรับเปลี่ยนเงื่อนไขในการผลิต เทคโนโลยี LTCC-GASSET ที่มุ่งเน้นให้การผลิตเซนเซอร์ทำได้ง่าย และต้นทุนการผลิตต่ำกว่า จึงตอบโจทย์ในเรื่องนี้ได้เป็นอย่างดี

“ในการพัฒนาเทคโนโลยีประกอบเซนเซอร์ ทีมวิจัยได้นำวัสดุ LTCC ที่มีสมบัติสำคัญใกล้เคียงเซรามิกทั้งเรื่องความแข็งแรงและการทนความร้อน รวมถึงสามารถตัดแต่งโครงสร้างให้มีความซับซ้อนก่อนนำไปเผาได้ มาผลิตเป็นโครงสร้างลอยแบบสะพานที่มีความกว้างใกล้เคียงกับรากผม (ประมาณ 120 ไมโครเมตร) มีลวดลายขั้วไฟฟ้าสำหรับทำหน้าที่วัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุตอบสนองแก๊ส รวมถึงให้พลังงานความร้อนแก่วัสดุที่ประกอบรวมอยู่บนโครงสร้างสะพานอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งการที่โครงสร้างมีขนาดเล็ก มีการใช้พลังงานต่ำ จะเป็นปัจจัยเสริมทำให้สามารถนำเซนเซอร์ที่พัฒนาไปประยุกต์ใช้กับภารกิจต่างๆ ได้อย่างหลากหลายยิ่งขึ้นด้วย”

นอกจากการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซนเซอร์ ทีมวิจัยยังได้พัฒนาระบบและโมดูลเชื่อมต่อทางอิเล็กทรอนิกส์ในลักษณะต่าง ๆ ขึ้น เพื่อให้ระบบสามารถรองการนำข้อมูลมาแปลผลระดับความเข้มข้นแก๊ส และการจำแนกตัวอย่างด้วยเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ (AI) ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาในการพัฒนาต้นแบบได้อย่างมีนัยสำคัญ

ทดสอบใช้งานจริงแล้วทั้งภารกิจ “สิ่งแวดล้อม เกษตรกรรม และการแพทย์”

จากแนวคิดเริ่มต้นในการพัฒนาแพลตฟอร์ม LTCC-GASSET เพื่อช่วยลดข้อจำกัดในการผลิตเซนเซอร์สำหรับทดสอบใช้งานจริง ทีมวิจัยยังได้ร่วมกับนักวิจัยหลากสาขาพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดที่ตอบโจทย์การใช้งานเฉพาะด้าน

ดร.คทา เล่าว่า ตัวอย่างแรกคือ เซนเซอร์แบบทุ่นลอยน้ำสำหรับตรวจวัดระดับความเข้มข้นของแก๊สแอมโมเนียและไฮโดรเจนซัลไฟด์บริเวณผิวน้ำของบ่อบำบัดแบบเรียลไทม์ ที่ทีมวิจัยพัฒนาร่วมกับ รศ.ดร. วิรันธชา เครือฟู คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้ โดยได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) เซนเซอร์ชนิดนี้ผ่านการพัฒนาขึ้นเพื่อนำไปใช้ตรวจวัดระดับความเข้มข้นของแก๊สในส่วนบ่อปรับเสถียร ซึ่งเป็นบ่อที่อยู่ภายหลังระบบบำบัดแบบไร้อากาศ เพื่อศึกษาผลของการเสริมจุลินทรีย์ในบ่อบำบัดเพื่อลดการเกิดแก๊สแอมโมเนีย ซึ่งเป็นผลงานวิจัยของ ผศ.ดร. ฐปน ชื่นบาล คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้ โดยทีมวิจัยยังได้พัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ด้วย

“อุปกรณ์และซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นนี้ ไม่เพียงช่วยให้ติดตามสภาวะการเกิดกลิ่นรบกวนได้อย่างต่อเนื่องและแม่นยำ แต่ยังช่วยให้วางแผนการแก้ไขปัญหาเชิงป้องกันได้อย่างตรงจุด ซึ่งข้อมูลปริมาณแก๊สที่ตรวจวัดได้สามารถนำไปใช้คำนวณคาร์บอนเครดิตในรูปปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า (CO2eq) จากการลดการปล่อยแก๊สด้วยวิธีการบริหารจัดการบ่อบำบัดน้ำเสียที่เหมาะสมได้อีกด้วย”

นอกจากการใช้เซนเซอร์เพื่อติดตามปัญหาสิ่งแวดล้อมในพื้นที่เปิด ทีมวิจัยยังสนับสนุนบุคลากรวิจัยจากสถาบันการศึกษาต่าง ๆ ในการนำ LTCC-GASSET ไปต่อยอดการวิจัยผลิตภัณฑ์เซนเซอร์เพื่อใช้งานตามวัตถุประสงค์เฉพาะด้าน ตั้งแต่การเฝ้าระวังความปลอดภัยในโรงงาน การควบคุมคุณภาพกระบวนการผลิตทางการเกษตร ไปจนถึงการใช้คัดกรองโรค

ดร.คทา ยกตัวอย่างการพัฒนาเซนเซอร์ตรวจจับแก๊สแอมโมเนียสำหรับเฝ้าระวังการรั่วไหลในระบบทำความเย็นของโรงงานว่า ได้สนับสนุนทีมวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้ ในการนำวัสดุที่มีความจำเพาะต่อแก๊สแอมโมเนียสูง มาต่อยอดสู่อุปกรณ์ตรวจจับการรั่วไหลของแก๊สแอมโมเนียในโรงงาน โดยปัจจุบันอยู่ในสถานะพร้อมถ่ายทอดเทคโนโลยี และยังคงเปิดรับความร่วมมือกับภาคเอกชนในการต่อยอดสู่การใช้งานจริงภายในโรงงานอุตสาหกรรม

“ด้านการเกษตร ทีมวิจัยได้สนับสนุนทีมวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์และคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้ ในการพัฒนาระบบตรวจวัดปริมาณแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่ใช้ในการรมลำไยเพื่อยืดอายุผลผลิตก่อนการส่งออก ซึ่งจะต้องมีการตรวจวัดปริมาณแก๊สภายในห้องรมแก๊ส เพื่อควบคุมปริมาณแก๊สและลดความเสี่ยงที่จะมีแก๊สตกค้างในผลผลิต เพราะหากปลายทางประเทศผู้รับสินค้าตรวจพบการตกค้างเกินมาตรฐาน อาจมีการตีกลับสินค้าซึ่งจะก่อให้เกิดความเสียหายทางเศรษฐกิจได้

“ขณะที่ทางด้านการแพทย์ ทีมวิจัยได้สนับสนุนบุคลากรวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์ และคณะทันตแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ นำทีมโดย รศ.ดร. ชัยกานต์ เลียวหิรัญ ในการพัฒนาระบบตรวจวัดแก๊สบ่งชี้ทางชีวภาพในลมหายใจ เพื่อใช้คัดกรองและจำแนกระยะของโรคปริทันต์อักเสบ และอยู่ในระหว่างการดำเนินโครงการต่อยอดไปสู่ระบบตรวจวัดแก๊สบ่งชี้ทางชีวภาพในลมหายใจเพื่อคัดกรองโรคในระบบทางเดินอาหาร”

จะเห็นได้ว่าแพลตฟอร์ม LTCC-GASSET ไม่เพียงช่วยลดข้อจำกัดในการพัฒนาผลิตภัณฑ์เซนเซอร์ แต่ยังเปิดทางให้นักวิจัยไทยต่อยอดองค์ความรู้สู่การพัฒนาผลงานนวัตกรรมที่ตอบโจทย์ความต้องการของตลาดและอุตสาหกรรม และช่วยลดการพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศ

นักวิจัยและผู้ประกอบการที่สนใจวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิตเซนเซอร์ตรวจจับแก๊สประเภทโลหะออกไซด์ ติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ ทีมวิจัยเทคโนโลยีเซนเซอร์แสงไฟฟ้าเคมี เนคเทค สวทช. เบอร์โทรศัพท์ 0 2564 6900 ต่อ 2185 หรืออีเมล kata.jaruwongrungsee@nectec.or.th

เรียบเรียงโดย ภัทรา สัปปินันทน์ ฝ่ายสร้างสรรค์สื่อและผลิตภัณฑ์ สวทช.
อาร์ตเวิร์กโดย ภัทรา สัปปินันทน์
ภาพประกอบโดย เนคเทค สวทช. และภาพจาก Shutterstock