首页 > 资讯 > 消息正文

微型傅里叶变换近红外光谱仪有望改变生活方式

发布:HPLSElaser    |    2018-03-06 00:16    阅读:1151
分享:
      

芯片级传感器集成带来了新的市场机遇,有望改变目前的商业模式和消费方式。将小型传感器集成到小型设备和互联网中的能力意味着能够随时随地收集数据。这种新功能使消费者和企业能够实时监控突发状况,并随时做出改变和调整,以优化安全、卫生、质量控制和生产,甚至改善环境。

目前,光谱学在微型化领域的技术应用有希望为这一看似不可能实现的能力打开广阔的新市场——进行即时和无处不在的材料分析。分子分析一直与先进的科学、实验室和大型设备有关。然而,研究人员现在已经研发出了第一代芯片级光谱仪,能够用于非普通消费者随时随地检测材料和进行化学成分分析。


对雀巢婴儿麦片进行的测量显示了简单的光谱特征以及混合物中存在的纯牛奶和奶粉(a)。基于光谱特征检测不同种类糖的测量(b)。图片来源:Si-Ware Systems。

芯片光谱技术的发展对许多领域都产生了根本的影响,因为它省去了将样品送到中心实验室进行分析的耗时过程。相反,“永远在线”(always on)的能力意味着个人或企业能够随时或连续检测目标分子的存在和比例,无论是检测食品生产设施中的污染物、制药生产中的质量控制、评估血液中的酒精,还是通过物联网(IoT)在家中检测挥发性有机化合物(VOC)。

近红外光谱学

近红外(NIR)光谱学用于量化和验证许多应用中的材料。使用近红外光,设备能够通过照射样品上的宽带光并测量其光谱响应获得特定材料的光谱特征。光谱响应为使用预先开发的分析模型进行识别和定量分析提供了参考。


用于移动设备应用的NeoSpectra Micro光谱传感器计划于今年开始量产。图片来源:Si-Ware Systems。

近红外光谱法与其他方法的区别在于该方法能够生成多个准确的化学和物理参数,而且不需要准备不同的样品类型。尽管湿法化学和其他常规分析方法可能要求等待样品中发生某些变化才能进行测试,但使用近红外光谱法就不存在这些要求。近红外光谱法甚至能够穿过塑料和玻璃来提供包装或容器内物料的分析。虽然近红外光谱技术拥有显著的优势,即快速得出的结果和现场使用的便携性,但技术和市场壁垒严重限制了这种用于扩大商业用途的多功能工具的开发,更不用说交付给普通消费者使用。为了满足消费类设备的需求下,显而易见的先决条件是设备的小型化,即要求设备能够集成到易于携带的移动设备中。

设备的价格和可扩展性也是一大挑战:近红外光谱仪的价格在近期一直徘徊在1万美元至2万美元之间。该设备需要更多的集成度才能使其产量扩展到数十万个单元。面对如此高的高精度光学和电路的需求,除了转向半导体制造技术外别无选择。实质上,为了生产消费级光谱仪,设备的价格必须像芯片一样便宜。

工程团队尝试了各种技术,以实现近红外器件拥有更高的集成度和更小的外形尺寸,包括微镜阵列、线性可变滤波器、可调法布里珀罗滤波器和其他方法。这些进步已经帮助光谱仪朝着模块化和便携性法相发展,但是对于非专业人士而言,正确且方便的使用这些设备还需要增添更多的多功能性,包括增加单个传感器的光谱范围。但是目前面临的问题是应该采用哪种方法才能使该行业达到芯片规模并具备必要的功能。

MEMS:消费市场的关键

微机电系统(MEMS)对傅里叶变换近红外器件的发展具有很大的前景,因为该器件能够符合大部分市场的主要要求。对于具有移动部件的设备,MEMS拥有良好的业绩记录,并且与其他方法相比具有以下主要优势:小型化到芯片尺寸、使用半导体晶圆以及用于大批量批量生产的蚀刻技术,最终能够提供器件级的定价。开发可在大批量和晶圆级成本下生产的微尺寸移动结构的能力为未开发市场打开了大门,最近一个例子是应用于智能手机、汽车和其他消费设备中的运动传感加速度计。


使用智能手机检测麸质的原型应用程序,使用GreenTropism公司开发的软件和Xpndbls开发的实例。图片来源:Si-Ware Systems。

Si-War公司通过其在MEMS、ASIC开发和光子学方面的综合工作,并通过创建专有技术硅集成微型光学系统技术(SiMOST)开发了各种MEMS功能,该技术能够满足光子产业所需的半导体生产能力。该技术从一个经过良好表征和验证的光学和机械部件库中抽取,在单个硅芯片上设计和制造光学平台。该团队利用这项技术开发了带有活动镜的完全单片迈克尔逊干涉仪。

迈克尔逊干涉仪是任何傅立叶变换近红外光谱仪的核心,它是一种光学干涉仪。分束器将入射光束分成两个路径:其中一个光束由一个移动镜反射,另一个被固定镜反射时用作参考。移动反射镜控制第一光束的光路或简单地延迟,并因此干涉两个反射光束,产生对应于输入光的光谱含量的图案。后者由单个光电探测器捕获产生“干涉图”。输入光的光谱是通过在干涉图上应用傅里叶变换直接生成的。

三维SiMOST光谱仪设计以与其他MEMS器件生产相同的方式印刷到掩模上。这些掩模通过光刻将设计图案化到硅晶片上。随后使用分批处理将图案分层蚀刻。然后将芯片切块和封装,从而大大降低了成本。迈克尔逊干涉仪小型化的扫描电子显微镜照片显示了集成到单芯片上的所有光学元件,如固定镜、动镜和分束器以及机械元件,如MEMS梳状驱动微致动器。使用单个光刻工艺对组件进行对齐。它们采用单反应离子刻蚀(DRIE)工艺制造。


传统的迈克尔逊干涉仪和基于MEMS的片上干涉仪。图片来源:Si-Ware Systems。

专用ASIC芯片补充了干涉仪的功能,从而拥有完整的光谱仪功能。它通过产生驱动MEMS微动器的电信号来实现这一点。ASIC还从光电探测器读取数据并执行信号调节功能,并对测量数据(光信号和镜像位置)使用数字信号处理来生成光谱。在传统的傅里叶变换近红外光谱仪中,氦氖激光系统能够检测移动反射镜的位置:通过检测由移动反射镜反射的激光束,能够准确确定反射镜的位置。MEMS版本光谱仪采用ASIC芯片新技术,其中梳状驱动器中的电容的变化与移动镜的位置有关。

性能优势

傅里叶变换近红外光谱仪设备只需要一个光电探测器,这与基于光栅/色散技术的光谱仪器有很大不同,光栅/色散技术需要包括大量检测元件的检测器阵列,这取决于应用所需的128、256、512或1024解析度。

使用传统的傅里叶变换近红外光谱仪器,工作波长范围受到分光镜和所使用的光电探测器材料的限制。MEMS要求使用单一介质接口(硅/空气)来分离光束。这种技术在非常宽的光谱范围内提供了稳定的分光比。因此,工作波长范围仅取决于所使用的光电探测器。在近红外光谱的较高端(高于1150纳米至2500纳米)覆盖较宽的范围意味着能够以高精度同时测量不同的材料。此外,它允许测量不同形状的样品,无论是颗粒还是平坦表面甚至是研磨样品,都无需样品制备,覆盖范围广泛适合许多行业。

在给定波长处的分辨率是两光束之间最大光程差(OPD)的函数,这意味着仪器的分辨率主要取决于移动反射镜的最大行程范围。对于给定的MEMS驱动器,通过施加适当的电信号能够调整反射镜的行程。因此,光谱仪的分辨率能够很容易地进行调整。

无处不在的光谱测量

利用MEMS实现材料分析的新尺寸、集成度和可扩展性要求,为生产和消费者市场上的许多部门开辟了广阔的应用领域。集成芯片级光谱设备的能力使得开发用于在线制造和质量控制的移动或小型因素光谱设备以及可在现场使用的按需应用成为可能。

包括消费级应用在内的光谱应用可能提供更大的机会。随时随地携带基于手机的分析工具或连接设备的能力可以评估商店、餐厅和家庭中食物的成熟程度和新鲜程度。在医疗领域,消费者或诊所工作人员能够通过皮肤或血液检测到某些化合物的存在。消费者或药剂师能够在购买之前或之后检查药物以验证成分。

迄今为止,由于光谱传感器的成本降低、尺寸缩小和可扩展性增多,其应用范围正在迅速扩展。目前,基于MEMS的傅里叶变换近红外光谱传感器为新应用打开了大门。

从质量控制到健康监测

为了利用这项技术的潜力,以实现小型化、低成本和可扩展的近红外光谱传感器,研究人员开发了芯片尺寸的光谱传感器模块。光电探测器、MEMS芯片和ASIC芯片被安置在同一个电路板中,采用单个18×18毫米封装。每个芯片的面积较小,因此新型模块能够应用在更多的环境中。便携式光谱仪、在线过程监测、物联网保护下的无线光谱网络以及集成到移动消费设备中的应用仅仅是一小部分例子。每一种使用模型都可以包括对医疗、工业、食品和饮料、法医以及执法应用等不同行业的材料进行定性和定量分析。


芯片级封装中光谱传感器的分解图。图片来源:Si-Ware Systems。

便携式土壤分析仪

作为傅里叶变换近红外光谱仪的新型使用模式,位于荷兰的SoilCares公司将基于傅立叶变换近红外光谱仪整合到耐用的便携式现场仪器中。该工具包括一个宽的钢管,用于插入土壤以获取具有代表性的土壤样品。当按下按钮时,扫描仪获取土壤特征并通过无线网络将信息传送到云数据库,以确定土壤中含有的氮、磷、钾和许多其他成分的含量。SoilCares扫描仪现在通过进行现场土壤分析,免除了土壤样品收集和运输过程中的繁琐步骤。

石油和天然气质量控制

炼油厂需要在炼油厂生产线上进行经济有效的抽查。炼油企业使用紧凑型傅立叶变换近红外光谱仪,可以在生产的各个阶段扫描油气样品,以确保正确的混合比例和粘稠度,而无需将样品送到实验室进行检验。


SoilCares公司生产的便携式土壤光谱仪围绕基于MEMS的傅里叶变换近红外光谱传感器设计生产,可根据氮、磷和钾含量以及其他土壤条件来测量土壤质量。图片来源:SoilCares。

医疗

美国犹他州的一家医疗公司表示,糖尿病前期患者必须有一种更方便、更准确的方法来确定血糖水平,才有可能延缓疾病的发作和进展。他们发现使用傅里叶变换近红外光谱仪在厕所内进行即时尿液分析具有显著的潜力,这意味着不会对患者的日常生活造成干扰。用光源照射槽中的样品,傅里叶变换近红外光谱仪即可测量尿液中的葡萄糖。该设备能够显示样本中的葡萄糖含量或显示急剧向上或向下的趋势指示。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62395&PID=5&VID=141&IID=971

本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail@opticsjournal.net。否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。

免责声明

网站内容来源于互联网、原创,由网络编辑负责审查,目的在于传递信息,提供专业服务,不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的,请于20个工作日内与我们取得联系,我们将协调给予处理(按照法规支付稿费或删除),联系方式:021-69918579。网站及新媒体平台将加强监控与审核,一旦发现违反规定的内容,按国家法规处理,处理时间不超过24小时。最终解释权归《中国激光》杂志社所有。