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斯泰工业:一种新型的基于芯片的甲烷光谱仪原理、应用

时间:2019-09-10 11:05:47  来源:  作者:

全球变暖对许多地区的自然生态系统已经产生了影响,如气候异常、海平面升高、冰川退缩、冻土融化、河(湖)冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期提前……但是世界迎来了一个福音。

一种新型的基于芯片的甲烷光谱仪原理、应用

该图片描绘了新型硅光子吸收光谱仪,它比一角硬币还要小,可以使用大容量计算机芯片加工技术制造。突出在波导外部的红外光部分被甲烷分子吸收,使其能够对甲烷浓度进行光谱测量。


从地球中提取天然气并通过管道运输的过程会释放甲烷到大气中。甲烷是天然化工设备气的主要成分,是一种温室气体,它对全球变暖的影响大约是二氧化碳的25倍,这使其在俘获大气热量方面非常有效。一种新型的基于芯片的甲烷光谱仪,它比一角硬币还要小,或许有一天能够更高效、更容易地监测大面积的泄漏。


来自纽约约克镇IBM Thomas J.Watson研究中心的科学家研发出了一种新型甲烷光谱仪,比现在的标准光谱仪体积更小,制造成本更为经济。在光学学会的高影响因子杂志《Optica》中,研究人员详细介绍了这种新型光谱仪,并表明它可以检机械加工测浓度低至万分之一的甲烷气体。


只需少量维护保养,具有高抗冲击力


这种光谱仪基于硅光子学技术,这意味着它是由硅制成的光学器件,即用于制造计算机芯片的材料。由于可以使用与计算机芯片相同的高容量加工方法来制造这种基于芯片的甲烷光谱仪,所以光谱仪连同外壳和电池或太阳能电源,如果批量生产的话,成本可能低至几百美元数量。


IBM研究团队的负责人William Green表示:“与今天市面上可用的甲烷检测光学传感器好几万的成本相比,大容量加工可以使得芯片光谱仪有了一个更重要的价值定位。”“而且,没有可移动部件,也没有精确温度控制的基本要求,这种类型的传感器可以运转多年而几乎不需要维护。”


这种成本低廉且质量结实的光谱仪可以带来令人兴奋的新应用。例如,IBM团队正在与石油和天然气行业的合作伙伴共同开展一个项目,该项目将使用光谱仪来检测甲烷泄漏,避免了成千上万个泄露地点的现场查找和修复,可以节省公司的时间和金钱。


“在天然气开采和配送过程中,当井中的设备发生故障,阀门卡住或管道出现裂缝时,甲烷可能会泄漏到空气中。“我们正在研究一种可以使用这种芯片光谱仪分布在井口上的传感器网络的方法。例如,这些传感器收集的数据将使用IBM的物理分析软件进行处理,可以自动确定泄漏的位置以及泄漏的体积。”

工业新闻

甲烷是一种微量气体,它占地球大气体积的不到1%。虽然研究人员已经演示了甲烷检测,但还可以使用相同的方法来检测其他个别微量气体的存在。它也可以同时用于多种气体检测。


“我们的长期愿景是将这些类型的传感器并入人们每天都在使用的如手机或交通工具等家用事物中。这些传感器可用于检测污染、危险的一氧化碳含量水平或其他感兴趣的分子。”研究团队成员Eric Zhang说。“因为这种光谱仪提供了一个用于多物种检测的平台,有一天或许它也可以用于呼吸分析进行健康监测。”


缩小光谱仪


这种新装置使用了一种称为吸收光谱学的方法,这种方法要求激光处于被测分子唯一吸收的波长处。在传统的吸收光谱设置中,激光穿过空气或自由空间,直到到达探测器。检测到达探测器的光可以得出空气中所关注的分子被吸收的量,同时可以计算它们现在的浓度。


新系统采用了类似的方法,但它不是自由空间装置,而是使激光穿过一条狭窄的硅波导,它是位于芯片上方长度为10厘米长的蛇形格局,可以测定16平方毫米的范围。一些光被捕获在波导内部,而大约25%的光会延伸到硅的外部进入空气中,在那里它可以与经过传感器波导附近的微量气体分子相互作用。研究人员使用近红外激光(1650纳米波长)进行甲烷检测。


为了提高设备的灵敏度,研究人员仔细测量和控制了导致噪声和假吸收信号的因素,微调了光谱仪的设计,并确定了波导的几何参数使其能够产生令人满意的结果。


并排比较


为了将新型光谱仪的性能与标准自由空间光谱仪的性能进行比较,他们将设备放置在环境室中,释放并控制甲烷的浓度。研究人员发现,与自由空间设计相比,基于芯片的光谱仪比同等水平自由空间传感器更加精确,并且减少了75%与空气相互作用的光。此外,芯片传感器的灵敏度通机械加工过甲烷浓度的最小可辨别范围来量化,并显示出具有比其他实验室研发的自由空间光谱仪更优越的性能。


“虽然硅光子学系统——特别是那些使用折射率变化的传感系统,以前已经被探索,但是我们工作的创新部分是使用这种类型的系统来检测低浓度甲烷非常弱的吸收信号,和对我们传感器芯片噪声和最小检测阈值的综合分析。”


当前版本的光谱仪需要光线通过光纤进出芯片。然而,研究人员正在努力将光源和检测器并入到芯片上,这将创建一个不需要光纤连接的本质上的电学设备。与当前的自由空间传感器不同,这种芯片不需要特殊的样品或光学上的准备。明年,他们计划通过将光谱仪放置在包括其他现成传感器的较大网络中进行现场测试。


光谱仪介绍


光谱仪又称分光仪,广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝,一个色散系统,一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域,并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。

一种新型的基于芯片的甲烷光谱仪原理、应用

光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,由棱镜或衍射光栅等构成,利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光),但若通过光谱仪将阳光分解,按波长排列,可见光只占光谱中很小的范围,其余都是肉眼无法分辨的光谱,如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影自动化设备,或电脑化自动显示数值仪器显示和分析,从而工业设计测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。


将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型,除在可见光波段使用的光谱仪外,还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分,有直接用眼观察的分光镜,用感光片记录的摄谱仪,以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器,常与其他分析仪器配合使用。

一种新型的基于芯片的甲烷光谱仪原理、应用

图中所示是三棱镜色谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直,放置在透镜L的物方焦面内,感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S,S的像成在感光片上成为光谱线,由于棱镜的色散作用,不同波长的谱线彼此分开,就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段,用石英可扩展到紫外区,在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计,可以具有较宽的光谱范围。


表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪(如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪)具有很高的色散率和分辨本领,常用于光谱精细结构的分析。


原理


根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光.


根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA(Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测。


构成


一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分:


1.入射狭缝:在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。


2.准直元件:使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上,如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。


3.色散元件:通常采用光栅,使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。


4.聚焦元件:聚焦色散后的光束,使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像,其中每一像点对应于一特定波长。


5.探测器阵列:放置于焦平面,用于测量各波长像点的光强度。该探测数控技术器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。


应用


光谱仪应用很广,在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛


透射测定


光谱仪的透射率或它的效率可用辅助单色仪装置来测定。在可见和近紫外实现这些测量没有任何困难。测量通过第一个单色仪的光通量,紧接着测量通过两个单色仪的光通量,以这种方式来确定第二个单色仪的透射率。


绝对测量需要知道单色仪的绝对透射率:对于相对测量,以各种波长处的相对单位可以测量透射率。真空紫外线的这些测量有相当大的实验困难,因此通常使用辅助单色仪。在各种入射角的情况下分别测量衍射光栅的效率。在许多实验步骤中已成功地避免了校准上的困难。


曾经研究过光栅效率与波长、入射角、镀层厚度、镀层材料以及其它因素的关系。所有这些测量都指出,在许多情况下能量损失是非常显著的,并且光栅的效率低于1%,光栅的不同部分可能有明显不同的效率。

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