據麥姆斯咨詢報道，近期，來自埃因霍芬理工大學（Technische Universiteit Eindhoven，以下簡稱：TU/e）的研究團隊開發(fā)了一種新型近紅外（NIR）光譜傳感器，該傳感器易于制造，并且尺寸與智能手機中的傳感器相當，可用于工業(yè)過程監(jiān)測及農業(yè)相關應用。這一突破性的研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。
荷蘭埃因霍芬理工大學研究團隊開發(fā)的微型近紅外光譜傳感器
人眼是一種神奇的“傳感器”，它利用3種感光細胞，將可見光轉換成大腦可以理解的“顏色”信號，為我們提供周圍世界的基本信息。
該研究的共同第一作者、TU/e應用物理系光子和半導體納米物理研究組的博士研究員Kaylee Hakkel解釋道：“當我們的大腦將這些顏色信號放在一起時，它會根據我們的經驗對這些信號的含義做出判斷。例如，紅色草莓很甜，綠色草莓不甜?！?
傳感器小型化至關重要
雖然人眼很神奇，但它并不是最先進的自然光傳感器。“螳螂蝦的眼睛擁有多達16種感光細胞，它們對紫外線、可見光和近紅外光敏感。”Kaylee Hakkel說道，“紅外光譜傳感對于工業(yè)和農業(yè)應用來說非常有價值，但面臨一個主要問題，目前常用的近紅外光譜儀通常體型較大且價格昂貴?！?
Kaylee Hakkel及其團隊通過開發(fā)一種可集成于小型芯片的近紅外傳感器解決了上述問題。類似螳螂蝦的眼睛，它有16種不同的傳感器單元，但是都對近紅外敏感。Kaylee Hakkel說：“在滿足傳感器小型化的同時保持低成本是比較困難的。為此，我們開發(fā)了一項新的晶圓級制造工藝來實現(xiàn)這一點?！?
螳螂蝦獨特的眼睛
“這項開發(fā)成本很低，因為我們可以批量生產眾多傳感器，并且目前已做好開展實際應用的準備?！盞aylee Hakkel補充道，“該傳感器芯片尺寸很小，甚至未來可以嵌入智能手機中?！?
TU/e應用物理系和Hendrik Casimir研究所對Kaylee Hakkel研究團隊的工作成果感到很欣慰?！岸嗄陙?，我們一直在開展這項技術研究?，F(xiàn)在，我們已經成功地將諧振腔增強（RCE）光譜傳感單元陣列集成在一個芯片上，同時還解決了另一個關鍵問題——數據的高效利用。”
諧振腔增強（RCE）多像素陣列的光譜傳感機制
通常，當傳感器檢測光線時，生成的信號被用來重建材料的光譜或光學指紋，之后再利用傳感算法進行數據分析。
研究人員表示，這種新的設計方法，不需要進行光譜重建。換言之，傳感器產生的信號可以直接發(fā)送至分析算法。這項研究的共同作者Andrea Fiore說：“這極大地簡化了光譜分析設備的設計要求。”
利用新型紅外光譜傳感器分析牛奶和塑料
研究人員通過一系列實驗對該新型紅外光譜傳感器進行了測試。這項研究的共同第一作者Maurangelo Petruzzella，目前在初創(chuàng)公司MantiSpectra工作，他解釋道：“我們利用這款傳感器檢測了包括牛奶在內的多種物質的營養(yǎng)特性。在預測牛奶的脂肪含量方面，該傳感器的精準度可與傳統(tǒng)光譜儀相當。另外，我們還可以利用該傳感器對不同類型的塑料進行分類?！?
牛奶樣品中的光譜傳感試驗
牛奶的營養(yǎng)特性決定其經濟價值，該傳感器已被證實可以準確地測量這些特性，基于這些測量結果還可以監(jiān)測奶牛的健康狀況。此外，利用該傳感器對塑料進行分類，將有助于優(yōu)化垃圾分類過程。
Maurangelo Petruzzella表示：“除了上述應用，該光譜傳感器還將用于個性化醫(yī)療保健、精準農業(yè)（例如監(jiān)測水果和蔬菜成熟度）、工業(yè)過程控制和芯片實驗室（lab-on-chip）測試。我們現(xiàn)在有基于該項技術的完整開發(fā)套件——SpectraPod，很多公司和研究團隊利用它來構建應用程序。最棒的是，該傳感器未來甚至可以在智能手機中普及，這意味著人們可以在家里用它來監(jiān)測食物質量或健康狀況?！?/span>
TU/e孕育出光譜傳感公司MantiSpectra
對于Kaylee Hakkel來說，未來的道路是充滿期待的，她今年1月14日完成博士論文答辯之后，將加入Maurangelo Petruzzella所在的創(chuàng)業(yè)公司MantiSpectra，他們將共同努力把該傳感器推向更多的實際應用之中。Kaylee Hakkel說：“我很高興加入MantiSpectra，一起推動光譜傳感器下一步的開發(fā)工作。該傳感器將有助于創(chuàng)造更清潔的環(huán)境，并解決食物浪費的問題，這些應用對每個人都很重要?！?
相關論文：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27662-1
