尺寸小、低成本、效益高的气体质谱分析(gasspectroscopy)仪面世

2014-06-25 09:11:07 lhyiqi

       IHP-Leibniz表示,该机构开发了一种具成本效益的方法来制造所需的SiGe半导体元件──也就是整合了天线的发送器与接收器晶片,运作频率再238GHz~252GHz;由于那些元件是采用标准矽制程技术,可利用现有半导体设备,因此能降低生产成本,并为气体感测器建立一个迄今无法达成的低价格技术基础。

  新研发的气体感测器具备庞大的应用潜力,包括用以侦测有毒气体,或是运用在半导体产业的化学制程控制;此外该类感测器也能应用在医疗保健领域,例如藉由分析病患所呼出的气体来协助侦测肺部疾病。

      毫米波吸收光谱(Millimeterabsorptionspectroscopy)技术是已经存在实验室的技术,应用在分子光谱学(molecularspectroscopy)与无线天文学(radioastronomy)领域,判定分子的浓度;传统上该技术所使用的RF发射源──萧特基二极体与下行频率乘法器(downstreamfrequencymultipliers)──都非常昂贵且笨重,虽然近几年来也有一些商用毫米波频率乘法器可做为RF发射源,体积也很小巧、但价格仍相对较高。

    最近一个美国研究团队也开发出运作频率在210~270GHz的气体质谱分析系统,采用商用化的毫米波元件;不过这类系统的价格目前还是取决于高生产成本的毫米波元件。而理想化的解决方案是能利用以成熟的SiGe或CMOS制程生产的晶片,如此才能大幅降低系统成本。

  IHP-Leibniz的研究人员所开发之SiGe接收器与发送器晶片原型,支援238~252GHz运作频率,范围虽然较窄,但研究人员强调这只是原型晶片,接下来将会有性能更提升的版本。该机构展示的系统利用一个光学试验台(opticalbench)来承载发射与接收模组,有效天线增益是经由一个透镜来放大;进行气体质谱量测时,一个尺寸约0.6m的气体吸收单元(gasabsorptioncell)会被放置在发送器与接收器之间。

  接收器的IF讯号会利用一般商用实验室量测技术,被纪录为发送频率的一个函数;研究人员在发送器与接收器都整合了本地振荡器,其频率藉由外部的PLL电路来稳定。两个PLL单元采用两个具有恒定偏移的参考频率,能在一次完整的扫描后为接收器建立一个恒定的中频频率,因此能根侦测到非常微小的振幅变化做为气体吸收分析结果。