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小尺寸、低成本氣體質譜分析儀問世
點擊次數：120 發(fā)布時間：2014-12-4
微電子技術研究機構IHP-LeibnizInstitute以及德國航太研究中心(DLR)，合作開發(fā)了一種尺寸小巧、具成本效益的氣體質譜分析(gasspectroscopy)感測系統(tǒng)，運作于245GHz頻率；而該系統(tǒng)也是*套以矽鍺(SiGe)晶片制作發(fā)送與接收器的系統(tǒng)。
IHP-Leibniz表示，該機構開發(fā)了一種具成本效益的方法來制造所需的SiGe半導體元件──也就是整合了天線的發(fā)送器與接收器晶片，運作頻率再238GHz~252GHz；由于那些元件是采用標準矽制程技術，可利用現有半導體設備，因此能降低生產成本，并為氣體感測器建立一個迄今無法達成的低價格技術基礎。
新研發(fā)的氣體感測器具備龐大的應用潛力，包括用以偵測有毒氣體，或是運用在半導體產業(yè)的化學制程控制；此外該類感測器也能應用在醫(yī)療保健領域，例如藉由分析病患所呼出的氣體來協(xié)助偵測肺部疾病。
毫米波吸收光譜(Millimeterabsorptionspectroscopy)技術是已經存在實驗室的技術，應用在分子光譜學(molecularspectroscopy)與無線天文學(radioastronomy)領域，判定分子的濃度；傳統(tǒng)上該技術所使用的RF發(fā)射源──蕭特基二極體與下行頻率乘法器(downstreamfrequencymultipliers)──都非常昂貴且笨重，雖然近幾年來也有一些商用毫米波頻率乘法器可做為RF發(fā)射源，體積也很小巧、但價格仍相對較高。
zui近一個美國研究團隊也開發(fā)出運作頻率在210~270GHz的氣體質譜分析系統(tǒng)，采用商用化的毫米波元件；不過這類系統(tǒng)的價格目前還是取決于高生產成本的毫米波元件。而理想化的解決方案是能利用以成熟的SiGe或CMOS制程生產的晶片，如此才能大幅降低系統(tǒng)成本。
IHP-Leibniz的研究人員所開發(fā)之SiGe接收器與發(fā)送器晶片原型，支援238~252GHz運作頻率，范圍雖然較窄，但研究人員強調這只是原型晶片，接下來將會有性能更提升的版本。該機構展示的系統(tǒng)利用一個光學試驗臺(opticalbench)來承載發(fā)射與接收模組，有效天線增益是經由一個透鏡來放大；進行氣體質譜量測時，一個尺寸約0.6m的氣體吸收單元(gasabsorptioncell)會被放置在發(fā)送器與接收器之間。
接收器的IF訊號會利用一般商用實驗室量測技術，被紀錄為發(fā)送頻率的一個函數；研究人員在發(fā)送器與接收器都整合了本地振蕩器，其頻率藉由外部的PLL電路來穩(wěn)定。兩個PLL單元采用兩個具有恒定偏移的參考頻率，能在一次完整的掃描后為接收器建立一個恒定的中頻頻率，因此能根偵測到非常微小的振幅變化做為氣體吸收分析結果。