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国外人员研发微型光谱仪 为智能手机带来新功能
发布者:admin  发布时间:2015/4/8 9:46:12  点击:362

你的智能手机用来检测空气的清洁程度,食物是否新鲜,肿块是不是恶性的。这些都多亏了一种新型的光谱仪,它非常小巧,可以很容易的安装在手机中,并且成本非常低廉。埃因霍温理工大学研制的微型传感器与在科学实验室中使用的常规桌面型号传感器一样精确。


研究人员于12月20日在《Nature Communications》杂志上介绍了他们的发明。    


光谱测定法对可见光和不可见光的分析,其应用范围非常广泛。根据光的吸收和反射,每种材料和每种组织都有自己的“足迹”,因此可以通过光谱测定法来辨别。但可以精确测量的光谱仪体积是很大的,因为他们把光分成不同的颜色(频率),然后分别测量。光被分解之后,具有不同频率的光束仍然会和其他光束重叠,因此,高度精确的测量只能在分解后几十厘米处进行。    


埃因霍温的研究人员研发了一种新颖的传感器,它能够以完全不同的方式实现精确测量,即利用一个特殊的“光子晶体空腔”,这个“光子晶体空腔”是一个几微米的“陷阱”,光线落在里面后不能逃脱。这个陷阱被包含在一个膜中,被捕获在其中的光会产生一个微小的电流,从而进行测量。博士生?arkoZobenica制作的腔体非常精确,只保留了一个非常小的频率间隔,因此只测量那个频率下的光线即可。    


为了能够测量更大的频率范围,研究人员将两个膜非常紧密地放置在一起,一个在另一个之上。两个膜会互相影响:如果它们之间的距离稍微改变,那么传感器能够检测到的光频率也随之移动。为此,由Andrea Fiore教授和Rob van der Heijden副教授指导的研究人员组装了一个MEMS(微机电系统)。这种机电系统允许膜之间的距离变化,从而测量频率。最终,传感器可以覆盖大约三十纳米的波长范围,在该范围内,光谱仪可以辨别数十万个频率,这是非常精确的。这之所以可以实现是因为研究人员将膜之间的距离定在了数十飞米(10-15米)。    


如上述设备的结构示意图所示。蓝色有孔的平面是位于上面的膜层,里面有光子晶体空腔,可捕获特定频率的光。当这种情况发生时,会产生一个可以被测量的电流(A)。    


为了证明其有用性,研究小组展示了几个应用,其中包括一个气体传感器。他们也制作了一个非常精确的运动传感器,并巧妙地利用了这样一个事实,即当两个膜彼此相对移动时,检测到的频率会发生变化。    


Fiore教授预计,新的光谱仪实际应用到智能手机之前还需要五年甚至更长的时间,因为目前它所覆盖的频率范围仍然太小。目前,传感器仅覆盖最常见光谱的百分之几即近红外光谱。所以他的小组将致力于扩展可检测的频谱。他们还将整合一个额外的器件即一个光源到微型光谱仪中,这将使传感器不受外部光源的支配。    


考虑到应用的广泛性,微型光谱仪预计将最终成为像智能手机中照相一样重要的器件。例如,测量CO2,检测烟雾,决定你吃什么药,衡量食物的新鲜程度,测定你的血糖水平,等等。    


编辑点评    微型光谱仪具有系统模块化和搭建灵活性的优势,因此在实际生产研究中,仅需配一套光谱仪,应用不同的测试附件就可以对各种不同的样品进行实时检测。同时,微型光纤光谱仪具有内部结构紧凑、无移动部件、波长范围宽、测量速度快、价格低的特点,在工业在线监控及便携式检测系统开发等领域提供了广阔的应用发展空间。




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