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- 維也納研發(fā)微型傳感器 可檢測液體化學成分
- 來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/4/13
維也納研發(fā)微型傳感器 可檢測液體化學成分維也納技術大學的研究人員利用微型激光技術,研發(fā)出可以檢測液體化學成分的微型傳感器。
雖然紅外光不可見,但不同的分子對紅外波段激光的吸收效應不同, 這正好適用于對液體和氣體的檢測。這一特性可以用于檢測例如血氧濃度等。維也納技術大學的研究人員利用這種技術研發(fā)出了新的微型傳感器。
特制的量子級聯(lián)激光器(quantum cascadelasers,QCLs)和匹配的光探測器是同步制造出來的。激光器和探測器只間隔了50微米,二者通過由金和氮化硅構成的等離子體波導來連通。這種新方法使得未來研制更多功能的微型傳感器變得簡單而廉價。
該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(SPP waveguide)和探測器組成,并集成在同一片襯底上。上面的插圖顯示了芯片截面的結構,左下角為掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的芯片封裝的圖像。
普通固體激光器和探測器,如常見的紅寶石激光器,只包含單一的能級結構。而量子級聯(lián)激光器是基于量子阱多級串聯(lián)的輻射機制。因而,它具有得天獨厚的特性,例如可以改變激光的波長。當對輻射能級施加一定電壓,激光器發(fā)生受激輻射。與此同時,量子級聯(lián)激光器的輻射結構還能實現(xiàn)反向的過程,即光輻射同樣可以產(chǎn)生電信號。
目前,研究人員已經(jīng)掌握同時制造激光器和探測器的方法,能夠使二者耦合在同一片芯片上,如此一來,激光的波長便能與探測器感應的波段完美匹配。這種雙功能的設備是由維也納技術大學微納結構中心(center for micro- and nanostructures)的工作人員基于原子層級開發(fā)出來的。“因為每一部分都是同步制造出來的,所以激光器和探測器不再需要調(diào)試,二者發(fā)送和接收的光譜已經(jīng)完全一致!盉enedikt Schwarz說。
波導:將光導入探測器
該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(SPP waveguide)和探測器組成,并集成在同一片襯底上。上面的插圖顯示了芯片截面的結構,左下角為掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的芯片封裝的圖像。(圖片來源:Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms5085)
在傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中,激光需要經(jīng)過精密的透鏡光路進入探測器,或利用光纖傳導,但這樣往往將激光中全部波段的光都傳輸了過去,而無法根據(jù)系統(tǒng)所需進行濾波,這樣注入的激光無法直接用于探測。
維也納技術大學在量子級聯(lián)激光器和探測器之間的光學傳導上使用了完全不同的方法。他們利用了由金和氮化硅構成的等離子體波導。“激光同金屬中的電子以一種獨特的方式相互作用,最終光被導出金層!盉enedikt Schwarz說,“這就是為什么光會在激光器和探測器之間的傳導過程中被分子吸收。”
該傳感器芯片可以浸沒于液體中。通過測量由于被分子吸收造成的探測光光強的衰減,就可以檢測出液體的化學成分。研究人員用兌了水的酒精對傳感器進行了測試,結果顯示,這種新型傳感器的水濃度測量精度可達0.06%。
由此我們知道,通過改變能級結構可以影響激光波長,這一技術理念可以適用于多種多樣的分子結構,例如碳水化學物或蛋白質,并且在化學、生物和醫(yī)學分析領域具有廣闊的應用前景 。
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