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感測器/MEMS  

德國科學家以SiGe晶片開發低成本氣體分析儀

上網時間: 2014年06月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:氣體分析  感測  SiGe  德國  頻率 

微電子技術研究機構IHP-Leibniz Institute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(gas spectroscopy)感測系統,運作於245GHz頻率;而該系統也是全球第一套以矽鍺(SiGe)晶片製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製造所需的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;由於那些元件是採用標準矽製程技術,可利用現有半導體設備,因此能降低生產成本,並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製程控制;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。

IHP-Leibniz開發小尺寸、低成本的氣體質譜分析系統
IHP-Leibniz開發小尺寸、低成本的氣體質譜分析系統

毫米波吸收光譜(Millimeter absorption spectroscopy)技術是已經存在實驗室的技術,應用在分子光譜學(molecular spectroscopy)與無線天文學(radio astronomy)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(downstream frequency multipliers)──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,採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於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製程生產的晶片,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,範圍雖然較窄,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台(optical bench)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(gas absorption cell)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盪器,其頻率藉由外部的PLL電路來穩定。兩個PLL單元採用兩個具有恆定偏移的參考頻率,能在一次完整的掃描後為接收器建立一個恆定的中頻頻率,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。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: SiGe Chips Reduce Cost in 245GHz Gas Spectroscopy,by Christoph Hammerschmidt)





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