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小尺寸、低成本氣體質譜分析儀問世

發布時間:2014-7-24     來源:儀眾國際

    微電子技術研究機構IHP-LeibnizInstitute以及德國航太研究中心(DLR),合作開發了一種尺寸小巧、具成本效益的氣體質譜分析(gasspectroscopy)感測系統,運作于245GHz頻率;而該系統也是全球第一套以矽鍺(SiGe)晶片制作發送與接收器的系統。

IHP-Leibniz表示,該機構開發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的化學制程控制;此外該類感測器也能應用在醫療保健領域,例如藉由分析病患所呼出的氣體來協助偵測肺部疾病。

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;傳統上該技術所使用的RF發射源──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發射源,體積也很小巧、但價格仍相對較高。

最近一個美國研究團隊也開發出運作頻率在210~270GHz的氣體質譜分析系統,采用商用化的毫米波元件;不過這類系統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SiGeCMOS制程生產的晶片,如此才能大幅降低系統成本。

IHP-Leibniz的研究人員所開發之SiGe接收器與發送器晶片原型,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。該機構展示的系統利用一個光學試驗臺(opticalbench)來承載發射與接收模組,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,被紀錄為發送頻率的一個函數;研究人員在發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。

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