微机电

近日，德州仪器 (TI) DLP® 产品部的业务拓展经理 Mike Walker和 Optecks 的首席技术官 Hakki Refai 博士发表文章：二维微机电(MEMS)阵列为移动光谱分析仪打下基础，如下是文章全文。　　在近红外 (NIR) 光谱分析领域中，一个将便携性与高性能实验室系统的准确性和功能性组合在一起的系统将极大地改进实时分析。由一块电池供电的小型手持式光谱分析仪的开发可以实现对工业过程、或食品成熟度的评估在现场进行更有效的监控。　　大多数色散光谱分析测量在一开始采用的都是同样的方式。被分析的光通过一个小狭缝 这个狭缝与一个光栅组合在一起，共同控制这个仪器的分辨率。这个衍射光栅专门设计用于以已知的角度反射不同波长的光。这个波长的空间分离使得其它系统可以根据波长来测量光强度。　　传统光谱测量架构的主要不同之处在于散射光的测量方式。两种常见的方法有(1)与散射光物理扫描组合在一起的单元素(或单点)探测器，以及(2)将散射光在一组探测器上成像。　　使用 MEMS 技术的方法　　使用具有一个单点探测器、基于光学微机电系统 (MEMS) 阵列技术的全新方法可以克服传统光谱分析方法中的很多限制。在基于单点探测器的系统中，一个固态光学 MEMS 阵列用简单、空间波长滤波器取代了传统的电动光栅。这个方法可以在消除精细控制电动系统中问题的同时，利用单点探测器的性能优势。近些年，此类系统已经投入生产，其中，扫描光栅被取代，并且 MEMS 器件过滤每一个特定波长进入单点探测器。这个方法在实现更加小巧和稳健耐用光谱分析仪的同时，也表现出很高的性能。　　相对于线性阵列探测器架构，光学 MEMS 阵列的使用具有数个优势。首先，可以使用更大的单元素探测器，以提高采光量，并极大降低系统成本和复杂度，这对于红外系统更是如此。此外，由于不使用阵列探测器，像素到像素噪声被消除了，而这可以极大地提升信噪比 (SNR) 性能。SNR 性能的提高可以在更短时间内获得更加准确的测量结果。　　在一个使用 MEMS 技术的光谱分析系统中，衍射光栅和聚焦元件的功能与之前一样，但来自聚焦元件的光在 MEMS 阵列上成像。要选择一个用于分析的波长，一个特定的光谱响应波段被激活，这样的话，就可以将光引入到单点探测器中进行采集和测量。　　如果 MEMS 器件高度可靠，能够生成可预计的滤波器响应，并且在不同的时间和温度下保持恒定，那么这些优势就可以实现。　　将一个 DLP® 芯片或数字微镜器件 (DMD) 用作一个空间光调制器，并且在一个光谱分析仪系统架构中将其用作 MEMS 器件的话，可以克服数个难题。首先，使用一组铝制微镜来接通和关闭进入单点探测器的光，这在广泛的波长范围内是光学有效的。其次，数字微镜的打开和关闭状态由机械止动装置和互补金属氧化物半导体 (CMOS) 静止随机访问存储器 (SRAM) 单元的锁存电路控制，从而提供固定的电压镜控制。这个固定电压、静止控制意味着这个系统不需要机械扫描或模拟控制环路，并且能够简化校准。它还使得光谱分析仪设计更能免受温度、老化或振动等错误源的影响。　　DMD 的可编程属性具有很多优势。其中某项优势会在进行光谱分析仪架构设计时显现 -- 如果以被用作滤波器的微镜的寻址列为基础。由于 DMD 分辨率通常高于所需的光谱，DMD 区域会出现欠填充的情况，并且会对光谱过采样。这使得波长选择完全可编程，并且在光引擎出现极端机械位移的情况下，将额外微镜用作重新校准列。　　此外，DMD 是一个二维可编程阵列，这为用户提供高度的灵活性。通过选择不同的列数量，可以调节分辨率和吞吐量。扫描时间可动态调整，如此一来，用户可对所需波长进行更长时间、更加详细的检查，从而更好地使用仪器时间和功能。此外，相对于固定滤波器器具1，诸如采用的 Hadamard 图形等高级孔径编码技术，可实现高度的灵活性和更高性能。　　总之，与目前的光谱分析系统相比，使用 DMD 的光谱分析器件可实现更高分辨率、更高灵活性、更加稳健耐用、更小的外形尺寸和更低的成本，从而使得它们对于广泛的商业和工业应用更有吸引力。　　单探测器架构消除噪声　　目前基于线性阵列的光谱分析仪主要受到两个因素的限制。首先，探测器的波长选择受到像素孔径的限制。探测器的尺寸决定了采集到的光量，从而影响SNR。诸如Hamamatsu G9203-256的常见磷化砷镓铟 (InGaAs) 256像素线性阵列的尺寸为50微米 x 500微米。相反地，一个数字微镜阵列是一个完全可编程的矩阵，可以针对应用来配置列的数量和扫描技术。这可以将更大的信号呈现给通常与DMD一同使用的更大的1毫米或2毫米的单点探测器。将窄带光过滤到一个线性阵列中 -- 通常是50微米宽像素 -- 也许会出现串扰的问题。像素到像素干扰会成为读取过程中产生噪声的主要原因。这些干扰可通过单探测器架构消除。此外， 通过利用1kHz至4kHz的数字微镜扫描速度，单点探测器可以达到与平行多点采样相类似的驻留时间。对于基于MEMS -- 或基于DMD -- 的紧凑型光谱分析仪引擎，结果显示SNR的范围大于10000:1。　　对于超级移动光谱分析仪十分关键的小型、高分辨率2D MEMS阵列　　为了尽可能地提高性能，用户需要考虑可被用于将光线反射至探测器的MEMS总面积。然后，将这个面积与可用单点探测器孔径尺寸仔细匹配。　　一个采用5.4微米微镜的DMD具有超过40万个可用像素，并且可以针对700纳米至2500纳米的波长进行优化。该款DMD是DLP2010NIR，它采用一个被称为TRP的全新像素架构。如图1中所见，这个像素提供17度的倾斜角。DLP2010NIR在一个评估模块中运行 这个评估模块提供针对光谱分析应用场景的独特光学架构。一个利用17度接通和关闭角度的光学路径可以用一个尽可能减少散射光的小巧引擎实现高性能感测分辨率。　　图2中显示了这个针对光谱分析使用情况的独特光学引擎。这个系统优化了整个光路径中光学信号。来自样本的响应在DMD上成像，从而实现对每个波长的空间控制。这个评估模块的目的在于，通过将高效MEMS用作光谱分析中的高速2D滤波器，来获得设计优势。它是一款小巧、结实耐用且高度自适应系统，能够使光谱分析走出实验室，直接应用于现场测量或含光源测量。与传统光谱分析仪相比，同一个器件中的透射和反射测量头互换功能可以实现性能基准测试。　　一个利用DLP2010NIR芯片的光谱分析光引擎有数个照明模块，并且每个模块的工作方式稍有不同。在一个传输模块中，光源、比色皿支架、高精度比色皿和和其它安装硬件被用于完成透射样本的吸收量和散射属性的测量。NIR透射测量值可用于液体样本，诸如果汁的水含量或出现的气体特征。这些数据能够提供与果汁原产地有关的很多信息。在固体样本中，NIR透射可以测量塑料管的不透光度，而这是观察气体和液体在传送线路中流动的重要参数。线路内的透射测量也被用于分析黄油在生产过程中的水含量，这样可以及时调整黄油制作工艺，从而节省了时间、尽可能降低成本，并且增加最终产品的质量。　　或者，在样本无需与光谱分析仪窗口接触的测量中，反射模块是一个选择。它可以在几厘米的距离之外灵活地执行扫描操作，比如肉品被包装在塑料薄膜后监测肉品质量。诸如血糖预测等健康应用方面，也可以使用皮肤的漫反射来成为NIR区域内特色应用。　　最后，在光纤耦合模块中，不论是透射测量，还是反射测量，它们都是通过光纤实现。这样可以在光谱分析仪与样本无法直接接触时实现测量。此类采样示例包括监视工业过程、测量导管中流动的液体、分析鸡肉、牛肉和猪肉中的湿度、脂肪和蛋白质含量。这些模块极大地扩展了应用范围，并且提供更高的测量性能。Optecks具有能够实现所有这些采样方法的照明模块解决方案。　　正如之前讨论过的那样，使用DMD的光谱分析器件将功能拓展至对多个物质的分析、测试和测量。它们为实现更加准确的性能、更高分辨率、更大灵活性、更好的稳健耐用性和更小外形尺寸光感侧解决方案提供一个途径。此外，使用DMD的光谱分析仪还带来了更高的测量可靠性，而这在之前使用的传统光谱分析系统中，这也许是无法实现的。不论用户是打算用它测量农田中的庄稼需要的灌溉量，或是想要预测食物中的腐败程度，光谱分析都在不断成为准确、实时分析的强大方法。　　参考书目　　1 Pruett, E.，“德州仪器 (TI) DLP® 近红外光谱分析仪的最新发展可实现下一代嵌入式小巧、便携式系统”SPIE 9482-13 2015年4月　　作者简介　　Mike Walker先生是德州仪器 (TI) DLP® 产品部的业务拓展经理，负责这个部门的光谱分析业务。在过去几年中，Walker始终致力于将这项突破性架构引入到IR感测领域。在此之前30年间，Mike领导了TI的多个技术和业务团队。　　Hakki Refai博士是Optecks的首席技术官。他在针对基于DLP系统的光学、电子和软件系统的设计和开发方面拥有10几年的经验。Refai博士在先进电子设备的设计、生产和分销方面具有5年多的领导经验。

仪器信息网讯 2020年是个特殊的年份，新冠疫情席卷全球，世界经贸关系前景未明，处在“十三五”的收官之年，商业环境不断变化，国内外科学仪器企业面临前所未有的挑战与压力。在百年一遇的大变局中，科学仪器行业的整体表现如何，科学仪器公司又有哪些“闪光时刻”?仪器信息网特别发起“2020，与智者同行——科学仪器企业CEO征稿活动”，邀请CEO们于高处指点迷津，展现企业本年度风采。　　仪器信息网特别邀请到上海北裕分析仪器股份有限公司总经理陈凡，在新冠疫情冲击的2020年，北裕仪器如何实现逆势而起?上海北裕分析仪器股份有限公司总经理陈凡　　2020年，对全国、对仪器行业最大的影响就是新冠疫情。对生化仪器而言，疫情可能是机遇大于挑战 但对大部分分析仪器厂商而言，挑战或者危机更远甚于从前。特别是对北裕仪器来说，更是一次关乎生死与发展的危机。为了实现北裕仪器的快速增长，公司于2020年初超前规划和部署了发展布局，如公司扩增一倍以上的厂房面积，人员计划增加30%，以及前瞻性研发项目的投入等。　　但是，2020年初突如其来的新冠疫情完全打乱了原先的规划和节奏，年初业务基本陷入停顿，但前期的大幅投入已经启动。在大部分投入无法缩减的情况下，公司短期有较大的经营波动风险。不过，我们也感谢这次危机，让我们对公司，对产品，对员工，对管理都有了更清醒的认识。经过快速地决策调整，公司制定出更合适的经营布局和管理方案，并在公司全体同仁的共同努力下，战胜了危机，实现了公司销售额同比去年有较大增长。在应对本次危机中，北裕仪器的销售业绩和势头能够逆势而起，主要源自于以下几点：　　1、苦练内功，坚持任何时候都要把产品质量摆在重要位置的经营思路。　　产品是市场竞争的核心。在疫情复工复产的恢复期，公司花了很大功夫重新梳理了全部产品，从设计到生产零件、到工艺与质量控制，参照以往的故障记录，对产品的每个零件、每道生产及检验工艺，进行了优化和调整。对一些故障率较高的元件进行了更换，同时对产品同类型零件的通用性提出更高的要求。公司注重质量与成本的优化和控制，使产品的稳定性、可靠性和综合性能比往年有了很大的提高，为用户提供了更好更优的产品。　　2、客户至上，坚持任何时候都践行客户至上的理念，为客户提供优质服务。　　技术服务是影响客户对品牌认可度的关键因素。疫情之下，公司缩减了相关部门的预算支出，但唯独客服部是例外的，不仅没有缩减反而适度增加，同比去年增加了30%。因为在疫情中，当用户有服务需要时，我们必须要第一时间赶到，帮用户解决问题。年初曾有几次，工程师到达用户所在城市后，还需先隔离并做核酸测试才能上门服务，这大大增加了技术服务的综合成本。但是公司克服困难，必须做到急人所急，尽量满足用户的实际需求，没有将自己的困难转嫁到客户身上，在保证疫情安全的前提下努力提升服务品质。　　3、与合作伙伴相互支持，齐心协力、合作共赢共度危机。　　北裕仪器自成立十余年以来，建立了不少紧密的合作伙伴关系，在合作过程中，公司始终坚持诚信为本，守信用、重承诺，通过优化采购周期、建立合理安全库存、加强上下游协同销售等措施，力求合作共赢，得到合作伙伴的信任与支持，并且实现了公司与合作伙伴的共同成长与发展。　　4、体系化提升管理水平，全员凝心聚力促发展。　　疫情缓解后，随着公司技术与管理革新，成本费用合理可控，产量、效率、质量、服务全面提升，促进了公司销售情况明显好转，公司把节省的成本，转化为更优惠的价格和更优质的技术服务，促进了销售业绩的增长，赢得了用户更多的支持和认可。公司始终坚持以人为本，把人作为企业的第一资源，在应对疫情期间，广大员工充分发挥了主人翁精神，与企业风雨同舟，立足岗位、积极奉献，体现了来之能战、战之能胜的精神。　　2020年，对北裕仪器来说是不平凡的一年，从年初疫情来袭时的毫无准备，到危机中通过管理提升、技术革新，持续改善产品与服务，创造了逆袭疫情的新增长。“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海!”，公司将以人为本、坚持用户至上，继续发扬奉献与奋斗的精神，激发和凝聚全体同仁的智慧和力量，百尺竿头更进一步。　　拓展阅读：　　国产仪器“创新100”企业报道第27站 ——上海北裕分析仪器股份有限公司　　看这家公司走出的“新”路子——走访上海北裕分析仪器股份有限公司更多专题信息，点击下方图片

近年来，飞秒激光双光子聚合技术作为一种具有纳米精度的真三维加工方式已被广泛应用于制造各种功能微结构，这些微结构在微纳光学，微传感器和微机器系统等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何利用飞秒激光实现复合多材料加工，并进一步构建具有多模态的微纳机械仍极具挑战。鉴于此，中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东教授团队提出了一种飞秒激光二合一写入多材料的加工策略，制造了由温敏水凝胶和金属纳米颗粒组成的微机械关节，随后开发出具有多种变形模式(10)的多关节人形微机械。该工作于7月17日以“Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing”为题发表于Nature Communications。 图1. 受人类多关节变形启发，利用飞秒激光二合一多材料加工策略构建多关节人形微机械。 　　飞秒激光二合一加工策略包括使用不对称双光子聚合构建水凝胶关节以及在关节局部区域激光还原沉积银纳米颗粒(Ag NPs)(图1)。其中，非对称光聚合技术使水凝胶微关节局部区域的交联密度产生各向异性，最终使其可以实现方向和角度可控的弯曲变形。原位激光还原沉积可以在水凝胶关节上精确加工银纳米颗粒，这些银纳米颗粒具有很强的光热转换效应，使多关节微机械的模态切换表现出超短响应时间(30 ms)和超低驱动功率( 图3. 通过设计微关节的位置和变形方向，双关节微机械臂能够收集不同位置和方向的多个微货物。 　　辛晨博士和任中国博士为该工作的共同第一作者，通讯作者为吴东教授。论文的合作者还包括中科大的褚家如教授、胡衍雷教授、李家文副教授、香港中文大学的张立教授等。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等基金的支持。