气体扫谱仪

微电子技术研究机构IHP-LeibnizInstitute以及德国航太研究中心(DLR)，合作开发了一种尺寸小巧、具成本效益的气体质谱分析(gasspectroscopy)感测系统，运作于245GHz频率 而该系统也是全球第一套以矽锗(SiGe)晶片制作发送与接收器的系统。　　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。IHP-Leibniz开发小尺寸、低成本的气体质谱分析系统　　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。

仪器信息网讯 2011年10月12-15日，第十四届北京分析测试学术报告会及展览会(BCEIA 2011)在北京展览馆隆重举行。为让广大网友及仪器用户深入了解BCEIA 2011仪器新品动态，仪器信息网特别开展了以“盘点行业新品 聚焦最新技术”为主题大型视频采访活动，力争将科学仪器行业最新创新产品、最新技术进展及最具有代表性应用解决方案直观地呈现给业内人士。　　GCE集团总部位于瑞典，早在20世纪初就开始致力于气体控制设备的开发和制造，如今已是该领域世界尖端生产者之一，而上海GCE气体设备有限公司则是其设立于中国的独资公司，致力于提供专业气路系统及相关零组件等产品，适用于高纯气体、工业气体、医疗系统、切割焊接等领域。在BCEIA 2011召开期间，GCE携高纯气路系统控制设备参加展会，包括我们的DruVa 400系列，500系列及半自动切换设备等，吸引了参观者的驻足停留。对此，仪器信息网编辑对上海GCE气体设备有限公司江查理总经理进行了视频采访，请其介绍了GCE公司的发展背景及3款气体控制新产品，集中展示了GCE公司产品在“吹扫”技术上的优势。　　江查理先生表示：“GCE公司已经有100年的历史，在实验室设备研发方面也已拥有40年的经验，是欧洲最早为实验室家具提供气体控制设备的公司。虽然GCE进入中国才两年多，但发展速度相当快，凭借安全、性能以及设计方面的优势获得了中国用户的欢迎。”　　“我最先推荐的一款产品的特点就是安全，因为有时候实验室会发生泄露、起火等事故，操作人员的第一反应就是逃离现场，但实验室怎么办?根据这一现实需求，GCE公司特别设计了一款紧急开关，安装在实验室出口，一旦发生意外，操作人员可以在离开实验室之前关掉整个实验室的气路系统，防止事故往更大的方向发展。再就是GCE专门为实验室家具设计的一款产品，有点像水龙头，气体从下面通入，调压在外面即可完成，很现代很时尚 同时，我们根据客户要求还设计了一款用于气体钢瓶的仪表，该款仪表安有一个用于吹扫空气的阀门，在更换高纯气体无需再长时间吹扫。”

此次，滨松光子学株式会社在日本国家研究开发法人新能源与产业技术开发组织（NEDO）主办的“实现IoT社会的创新传感技术开发”项目中，利用独自的微机电系统(MEMS)技术和光学封装技术，成功开发出世界上最小尺寸的波长扫描量子级联激光器(QCL)，其体积约为传统产品的1/150。通过将其与日本产业技术研究所开发的驱动系统结合，实现了高速操作和外围电路简化，同时作为光源安装在分析设备上，使可便携的小型分析设备的开发成为现实。在本开发项目中，我们提高了二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）的探测灵敏度以及设备的维修性，目标是实现在火山口附近对火山气体成分的长期和稳定的检测。此外，它还可以应用于化工厂和下水道中有毒气体的泄漏检测和大气测量等。图1 世界上最小尺寸的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150概要在火山爆发的前几个月，火山气体中的二氧化硫（SO2）或硫化氢（H2S）等浓度会开始逐渐上升，因此对该气体浓度的监测是火山爆发预测的常规方法。目前许多研究机构在火山口附近安装了电化学传感器分析设备，通过电极检测来实时分析火山气体的成分。但由于电极与火山气体的接触，容易出现寿命变短和性能降低的问题，因此除了定期更换部件等维护，监测的长期稳定性也是一个难题。这样，长寿命光源和全光学光电检测器分析设备则具有无需大量保养，还具有高灵敏度并长时稳定地进行成分分析的特点。目前因为光源的尺寸较大，尙难以将其安装在火山口附近。 在此背景下，滨松从2020年开始，参与了NEDO与产业技术综合开发机构(产综研)的“实现IoT社会的创新传感技术开发”※1项目，积极投入研究和开发具有全光学，小尺寸，高灵敏度和高可维护性特点的新一代火山气体监测系统。 滨松公司正在该项目中承担了分析设备光源的小型化任务，并成功开发出中红外光※2在7-8微米（μm，μ为百万分之一）范围内可高速改变输出功率的世界上最小尺寸波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser）。※3（图1、图2、表）。本次新开发的产品是通过将其与产综研开发的驱动系统相结合，实现了高速操作和外围电路简化，作为光源安装在分析设备上，实现了可便携的小型化分析设备。此外，本项目的目标是进一步提高灵敏度和可维护性，实现长时间稳定地对火山口附近气体进行实时监测。同时也有望应用于化工厂和下水道的有毒气体泄漏检测和大气测量等用途。产品特点 1、开发了世界上最小的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150。 公司利用独自的MEMS技术，对占据了QCL的大部分体积的MEMS衍射光栅※4进行完全的重新设计，成功开发出新的尺寸约为以前1/10的MEMS衍射光栅。此外，通过采用小型磁铁，减少了不必要的空间，并采用独特的光学封装技术，以0.1微米为单位的高精度实现部件的组装，实现了世界上最小的波长扫描QCL，其体积约为传统产品的1/150。 2、实现中红外光在波长7～8μm的范围内的周期性变化输出 滨松利用多年积累的量子结构设计技术※5通过搭载新开发的QCL元件，实现中红外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波长范围内的扫描输出。同时，我们还开发了可变波长QCL，可以从7-8μm范围内选择特定波长进行输出。 3、可高速获取中红外光的连续光谱 与产综研传感系统研究中心开发的驱动系统相结合，实现波长扫描QCL的高速波长扫描。它可以在不到20毫秒的时间内获取中红外光的连续光谱，可捕捉和分析随时间快速变化的现象。图2 波长扫描QCL的结构表 本次开发的波长扫描QCL的主要规格未来计划滨松公司将与NEDO和产综研进一步构建新型高灵敏度和高可维护性的火山气体监测系统，同时推进多点观测等实地测试。此外，公司将在2022年度内推出将该产品与驱动电路或与本司光电探测器相结合的模块化产品，以扩大中红外光的应用。 “注释” *1 实现IoT社会的创新传感技术开发 项目名称:实现IoT社会的创新传感技术开发 / 创新传感技术开发 / 波长扫描中红外激光器 研究开发新一代火山气体防灾技术 业务和项目简介：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html *2 中红外光 是一种波长比可见光长的红外光，一般把波长在4-10μm之间的红外光称为中红外光。 *3 波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser） 量子级联激光器(QCL)是一种通过在发光层中采用量子结构，可以在中红外到远红外的波长范围内获得高输出功率的半导体激光光源。波长扫描量子级联激光器是将从量子级联激光器发出的中红外光进行分光，反射到MEMS衍射光栅，再通过对MEMS衍射光栅进行电控，使其的倾斜面发生快速变化，从而实现中红外光的波长快速变化并输出。 *4 MEMS衍射光栅 通过电流工作的小型衍射光栅。衍射光栅是一种利用不同波长的光衍射角度的差异来区分不同波长光的光学元件。 *5 量子结构设计技术 是一种利用纳米级超薄膜半导体叠层产生的量子效应的器件设计技术。在该开发中，滨松公司在QCL的发光层采用了独有的反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM ）。