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- 維也納研發(fā)微型傳感器 可檢測(cè)液體化學(xué)成分
- 來(lái)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(cè)液體化學(xué)成分維也納技術(shù)大學(xué)的研究人員利用微型激光技術(shù)，研發(fā)出可以檢測(cè)液體化學(xué)成分的微型傳感器。
雖然紅外光不可見，但不同的分子對(duì)紅外波段激光的吸收效應(yīng)不同, 這正好適用于對(duì)液體和氣體的檢測(cè)。這一特性可以用于檢測(cè)例如血氧濃度等。維也納技術(shù)大學(xué)的研究人員利用這種技術(shù)研發(fā)出了新的微型傳感器。
特制的量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascadelasers，QCLs）和匹配的光探測(cè)器是同步制造出來(lái)的。激光器和探測(cè)器只間隔了50微米，二者通過(guò)由金和氮化硅構(gòu)成的等離子體波導(dǎo)來(lái)連通。這種新方法使得未來(lái)研制更多功能的微型傳感器變得簡(jiǎn)單而廉價(jià)。
該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(dǎo)（SPP waveguide）和探測(cè)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(jié)構(gòu)，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(cè)器，如常見的紅寶石激光器，只包含單一的能級(jí)結(jié)構(gòu)。而量子級(jí)聯(lián)激光器是基于量子阱多級(jí)串聯(lián)的輻射機(jī)制。因而，它具有得天獨(dú)厚的特性，例如可以改變激光的波長(zhǎng)。當(dāng)對(duì)輻射能級(jí)施加一定電壓，激光器發(fā)生受激輻射。與此同時(shí)，量子級(jí)聯(lián)激光器的輻射結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)反向的過(guò)程，即光輻射同樣可以產(chǎn)生電信號(hào)。
目前，研究人員已經(jīng)掌握同時(shí)制造激光器和探測(cè)器的方法，能夠使二者耦合在同一片芯片上，如此一來(lái)，激光的波長(zhǎng)便能與探測(cè)器感應(yīng)的波段完美匹配。這種雙功能的設(shè)備是由維也納技術(shù)大學(xué)微納結(jié)構(gòu)中心（center for micro- and nanostructures）的工作人員基于原子層級(jí)開發(fā)出來(lái)的�！耙�?yàn)槊恳徊糠侄际峭街圃斐鰜?lái)的，所以激光器和探測(cè)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(shuō)。
波導(dǎo)：將光導(dǎo)入探測(cè)器
該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(dǎo)（SPP waveguide）和探測(cè)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(jié)構(gòu)，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(lái)源：Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms5085）
在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中，激光需要經(jīng)過(guò)精密的透鏡光路進(jìn)入探測(cè)器，或利用光纖傳導(dǎo)，但這樣往往將激光中全部波段的光都傳輸了過(guò)去，而無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)所需進(jìn)行濾波，這樣注入的激光無(wú)法直接用于探測(cè)。
維也納技術(shù)大學(xué)在量子級(jí)聯(lián)激光器和探測(cè)器之間的光學(xué)傳導(dǎo)上使用了完全不同的方法。他們利用了由金和氮化硅構(gòu)成的等離子體波導(dǎo)�！凹す馔饘僦械碾娮右砸环N獨(dú)特的方式相互作用，最終光被導(dǎo)出金層�！盉enedikt Schwarz說(shuō)，“這就是為什么光會(huì)在激光器和探測(cè)器之間的傳導(dǎo)過(guò)程中被分子吸收。”
該傳感器芯片可以浸沒(méi)于液體中。通過(guò)測(cè)量由于被分子吸收造成的探測(cè)光光強(qiáng)的衰減，就可以檢測(cè)出液體的化學(xué)成分。研究人員用兌了水的酒精對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，這種新型傳感器的水濃度測(cè)量精度可達(dá)0.06%。
由此我們知道，通過(guò)改變能級(jí)結(jié)構(gòu)可以影響激光波長(zhǎng)，這一技術(shù)理念可以適用于多種多樣的分子結(jié)構(gòu)，例如碳水化學(xué)物或蛋白質(zhì)，并且在化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 。
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