新型光谱传感器实现近红外光谱仪小型化和低成本，有望嵌入智能手机
2022-01-15 17:01:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

荷兰埃因霍芬理工大学研究团队开发的微型近红外光谱传感器

据麦姆斯咨询报道，近期，来自埃因霍芬理工大学（Technische Universiteit Eindhoven，以下简称：TU/e）的研究团队开发了一种新型近红外（NIR）光谱传感器，该传感器易于制造，并且尺寸与智能手机中的传感器相当，可用于工业过程监测及农业相关应用。这一突破性的研究成果已发表于Nature Communications期刊。

人眼是一种神奇的“传感器”，它利用3种感光细胞，将可见光转换成大脑可以理解的“颜色”信号，为我们提供周围世界的基本信息。

该研究的共同第一作者、TU/e应用物理系光子和半导体纳米物理研究组的博士研究员Kaylee Hakkel解释道：“当我们的大脑将这些颜色信号放在一起时，它会根据我们的经验对这些信号的含义做出判断。例如，红色草莓很甜，绿色草莓不甜。”

传感器小型化至关重要

虽然人眼很神奇，但它并不是最先进的自然光传感器。“螳螂虾的眼睛拥有多达16种感光细胞，它们对紫外线、可见光和近红外光敏感。”Kaylee Hakkel说道，“红外光谱传感对于工业和农业应用来说非常有价值，但面临一个主要问题，目前常用的近红外光谱仪通常体型较大且价格昂贵。”

Kaylee Hakkel及其团队通过开发一种可集成于小型芯片的近红外传感器解决了上述问题。类似螳螂虾的眼睛，它有16种不同的传感器单元，但是都对近红外敏感。Kaylee Hakkel说：“在满足传感器小型化的同时保持低成本是比较困难的。为此，我们开发了一项新的晶圆级制造工艺来实现这一点。”

螳螂虾独特的眼睛

“这项开发成本很低，因为我们可以批量生产众多传感器，并且目前已做好开展实际应用的准备。”Kaylee Hakkel补充道，“该传感器芯片尺寸很小，甚至未来可以嵌入智能手机中。”

TU/e应用物理系和Hendrik Casimir研究所对Kaylee Hakkel研究团队的工作成果感到很欣慰。“多年来，我们一直在开展这项技术研究。现在，我们已经成功地将谐振腔增强（RCE）光谱传感单元阵列集成在一个芯片上，同时还解决了另一个关键问题——数据的高效利用。”

谐振腔增强（RCE）多像素阵列的光谱传感机制

通常，当传感器检测光线时，生成的信号被用来重建材料的光谱或光学指纹，之后再利用传感算法进行数据分析。

研究人员表示，这种新的设计方法，不需要进行光谱重建。换言之，传感器产生的信号可以直接发送至分析算法。这项研究的共同作者Andrea Fiore说：“这极大地简化了光谱分析设备的设计要求。”

利用新型红外光谱传感器分析牛奶和塑料

研究人员通过一系列实验对该新型红外光谱传感器进行了测试。这项研究的共同第一作者Maurangelo Petruzzella，目前在初创公司MantiSpectra工作，他解释道：“我们利用这款传感器检测了包括牛奶在内的多种物质的营养特性。在预测牛奶的脂肪含量方面，该传感器的精准度可与传统光谱仪相当。另外，我们还可以利用该传感器对不同类型的塑料进行分类。”

牛奶样品中的光谱传感试验

牛奶的营养特性决定其经济价值，该传感器已被证实可以准确地测量这些特性，基于这些测量结果还可以监测奶牛的健康状况。此外，利用该传感器对塑料进行分类，将有助于优化垃圾分类过程。

Maurangelo Petruzzella表示：“除了上述应用，该光谱传感器还将用于个性化医疗保健、精准农业（例如监测水果和蔬菜成熟度）、工业过程控制和芯片实验室（lab-on-chip）测试。我们现在有基于该项技术的完整开发套件——SpectraPod，很多公司和研究团队利用它来构建应用程序。最棒的是，该传感器未来甚至可以在智能手机中普及，这意味着人们可以在家里用它来监测食物质量或健康状况。”

TU/e孕育出光谱传感公司MantiSpectra

对于Kaylee Hakkel来说，未来的道路是充满期待的，她今年1月14日完成博士论文答辩之后，将加入Maurangelo Petruzzella所在的创业公司MantiSpectra，他们将共同努力把该传感器推向更多的实际应用之中。Kaylee Hakkel说：“我很高兴加入MantiSpectra，一起推动光谱传感器下一步的开发工作。该传感器将有助于创造更清洁的环境，并解决食物浪费的问题，这些应用对每个人都很重要。”

相关论文：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27662-1

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》