- 維也納研發微型傳感器 可檢測液體化學成分
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2015/4/13
維也納研發微型傳感器 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出了新的微型傳感器。
特制的量子級聯激光器（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。而量子級聯激光器是基于量子阱多級串聯的輻射機制。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，激光器發生受激輻射。與此同時，量子級聯激光器的輻射結構還能實現反向的過程，即光輻射同樣可以產生電信號。
目前，研究人員已經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試，二者發送和接收的光譜已經完全一致。”Benedikt 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）
在傳統光學系統中，激光需要經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，而無法根據系統所需進行濾波，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。”Benedikt 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、生物和醫學分析領域具有廣闊的應用前景 。
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