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國(guó)外人員研發(fā)微型光譜儀 為智能手機(jī)帶來(lái)新功能 |
發(fā)布者:admin 發(fā)布時(shí)間:2015/4/8 9:46:12 點(diǎn)擊:484 |
你的智能手機(jī)用來(lái)檢測(cè)空氣的清潔程度,食物是否新鮮,腫塊是不是惡性的。這些都多虧了一種新型的光譜儀,它非常小巧,可以很容易的安裝在手機(jī)中,并且成本非常低廉。埃因霍溫理工大學(xué)研制的微型傳感器與在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的常規(guī)桌面型號(hào)傳感器一樣精確。
研究人員于12月20日在《Nature Communications》雜志上介紹了他們的發(fā)明?! ?
光譜測(cè)定法對(duì)可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光的分析,其應(yīng)用范圍非常廣泛。根據(jù)光的吸收和反射,每種材料和每種組織都有自己的“足跡”,因此可以通過(guò)光譜測(cè)定法來(lái)辨別。但可以精確測(cè)量的光譜儀體積是很大的,因?yàn)樗麄儼压夥殖刹煌念伾?頻率),然后分別測(cè)量。光被分解之后,具有不同頻率的光束仍然會(huì)和其他光束重疊,因此,高度精確的測(cè)量只能在分解后幾十厘米處進(jìn)行?! ?
埃因霍溫的研究人員研發(fā)了一種新穎的傳感器,它能夠以完全不同的方式實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,即利用一個(gè)特殊的“光子晶體空腔”,這個(gè)“光子晶體空腔”是一個(gè)幾微米的“陷阱”,光線落在里面后不能逃脫。這個(gè)陷阱被包含在一個(gè)膜中,被捕獲在其中的光會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的電流,從而進(jìn)行測(cè)量。博士生?arkoZobenica制作的腔體非常精確,只保留了一個(gè)非常小的頻率間隔,因此只測(cè)量那個(gè)頻率下的光線即可?! ?
為了能夠測(cè)量更大的頻率范圍,研究人員將兩個(gè)膜非常緊密地放置在一起,一個(gè)在另一個(gè)之上。兩個(gè)膜會(huì)互相影響:如果它們之間的距離稍微改變,那么傳感器能夠檢測(cè)到的光頻率也隨之移動(dòng)。為此,由Andrea Fiore教授和Rob van der Heijden副教授指導(dǎo)的研究人員組裝了一個(gè)MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))。這種機(jī)電系統(tǒng)允許膜之間的距離變化,從而測(cè)量頻率。最終,傳感器可以覆蓋大約三十納米的波長(zhǎng)范圍,在該范圍內(nèi),光譜儀可以辨別數(shù)十萬(wàn)個(gè)頻率,這是非常精確的。這之所以可以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)檠芯咳藛T將膜之間的距離定在了數(shù)十飛米(10-15米)。
如上述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖所示。藍(lán)色有孔的平面是位于上面的膜層,里面有光子晶體空腔,可捕獲特定頻率的光。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可以被測(cè)量的電流(A)?! ?
為了證明其有用性,研究小組展示了幾個(gè)應(yīng)用,其中包括一個(gè)氣體傳感器。他們也制作了一個(gè)非常精確的運(yùn)動(dòng)傳感器,并巧妙地利用了這樣一個(gè)事實(shí),即當(dāng)兩個(gè)膜彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí),檢測(cè)到的頻率會(huì)發(fā)生變化。
Fiore教授預(yù)計(jì),新的光譜儀實(shí)際應(yīng)用到智能手機(jī)之前還需要五年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,因?yàn)槟壳八采w的頻率范圍仍然太小。目前,傳感器僅覆蓋最常見(jiàn)光譜的百分之幾即近紅外光譜。所以他的小組將致力于擴(kuò)展可檢測(cè)的頻譜。他們還將整合一個(gè)額外的器件即一個(gè)光源到微型光譜儀中,這將使傳感器不受外部光源的支配?! ?
考慮到應(yīng)用的廣泛性,微型光譜儀預(yù)計(jì)將最終成為像智能手機(jī)中照相一樣重要的器件。例如,測(cè)量CO2,檢測(cè)煙霧,決定你吃什么藥,衡量食物的新鮮程度,測(cè)定你的血糖水平,等等。
編輯點(diǎn)評(píng) 微型光譜儀具有系統(tǒng)模塊化和搭建靈活性的優(yōu)勢(shì),因此在實(shí)際生產(chǎn)研究中,僅需配一套光譜儀,應(yīng)用不同的測(cè)試附件就可以對(duì)各種不同的樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。同時(shí),微型光纖光譜儀具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)移動(dòng)部件、波長(zhǎng)范圍寬、測(cè)量速度快、價(jià)格低的特點(diǎn),在工業(yè)在線監(jiān)控及便攜式檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。
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