Ученые из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк, разработали новый метановый спектрометр, который меньше современных стандартных спектрометров и более экономичен в производстве. В Optica, журнале Оптического общества для исследований с высокой ударной нагрузкой, исследователи подробно описывают новый спектрометр и показывают, что он может обнаруживать метан в концентрациях до 100 частей на миллион.Низкие эксплуатационные расходы, высокая отдача
Спектрометр основан на технологии кремниевой фотоники, что означает, что это оптическое устройство, сделанное из кремния, материала, используемого для изготовления компьютерных микросхем. Поскольку для изготовления метанового спектрометра на основе чипа могут применяться те же методы массового производства, что и для компьютерных микросхем, спектрометр вместе с корпусом и батареей или источником солнечной энергии может стоить всего несколько сотен долларов, если его производить в больших количествах. количества.«По сравнению с сегодняшними коммерчески доступными оптическими датчиками для обнаружения метана, стоимость которых составляет десятки тысяч долларов, массовое производство могло бы превратиться в существенное ценностное предложение для чип-спектрометра», — сказал Уильям Грин, руководитель исследовательской группы IBM. «Более того, без движущихся частей и без фундаментальных требований к точному контролю температуры, этот тип датчика может работать в течение многих лет практически без обслуживания».
Такие недорогие и надежные спектрометры могут открыть новые интересные области применения. Например, команда IBM работает с партнерами в нефтегазовой отрасли над проектом, в котором спектрометры будут использоваться для обнаружения утечек метана, что позволит компаниям сэкономить время и деньги, затрачиваемые на поиск и устранение утечек с помощью личного осмотра тысяч человек. сайтов.«Во время добычи и распределения природного газа метан может просочиться в воздух, когда оборудование на скважине выходит из строя, заклинивает клапаны или есть трещина в трубопроводе», — сказал Грин. «Мы разрабатываем способ использования этого спектрометра на кристалле для создания сети датчиков, которые можно было бы распределить, например, по кусту скважины. Данные с этих датчиков будут обрабатываться с помощью программного обеспечения физической аналитики IBM для автоматического определения местоположения. местонахождение утечки, а также количественно определить величину утечки ».
Метан — это газовые примеси, классификация которых относится к газам, которые составляют менее 1 процента объема атмосферы Земли. Хотя исследователи продемонстрировали обнаружение метана, тот же подход можно использовать для обнаружения других отдельных газовых примесей. Его также можно использовать для одновременного обнаружения нескольких газов.
«Наше долгосрочное видение состоит в том, чтобы встроить эти типы датчиков в дом и вещи, которые люди используют каждый день, такие как мобильные телефоны или автомобили. Они могут быть полезны для обнаружения загрязнения, опасных уровней угарного газа или других молекул, представляющих интерес», — сказал Эрик Чжан, член исследовательской группы. «Поскольку этот спектрометр предлагает платформу для обнаружения множества видов, однажды его можно будет использовать для мониторинга состояния здоровья с помощью анализа дыхания».Уменьшение спектрометраВ новом устройстве используется подход, известный как абсорбционная спектроскопия, для которого требуется лазерный свет с длиной волны, уникально поглощаемой измеряемой молекулой.
В традиционной установке для абсорбционной спектроскопии лазер движется по воздуху или свободному пространству, пока не достигнет детектора. Измерение света, который достигает детектора, показывает, сколько света было поглощено интересующими молекулами в воздухе, и может использоваться для расчета их концентрации.
В новой системе используется аналогичный подход, но вместо установки в свободном пространстве лазер проходит через узкий кремниевый волновод, который следует змеевидному узору длиной 10 сантиметров на вершине чипа размером 16 квадратных миллиметров. Часть света улавливается внутри волновода, в то время как около 25 процентов света выходит за пределы кремния в окружающий воздух, где он может взаимодействовать с газовыми следами, проходящими рядом с волноводом датчика.
Исследователи использовали ближний инфракрасный лазерный свет (длина волны 1650 нанометров) для обнаружения метана.Чтобы повысить чувствительность устройства, исследователи тщательно измерили и контролировали факторы, которые способствуют шуму и ложным сигналам поглощения, точно настроили конструкцию спектрометра и определили геометрические параметры волновода, которые дали бы благоприятные результаты.Параллельное сравнение
Чтобы сравнить характеристики нового спектрометра со стандартным спектрометром в свободном пространстве, они поместили устройства в климатическую камеру и выпустили контролируемые концентрации метана. Исследователи обнаружили, что спектрометр на основе чипа обеспечивает точность на уровне датчика свободного пространства, несмотря на то, что на 75 процентов меньше света, взаимодействующего с воздухом, по сравнению с конструкцией со свободным пространством.
Кроме того, основная чувствительность чип-датчика была определена количественно путем измерения наименьшего заметного изменения концентрации метана, что показало производительность, сопоставимую со спектрометрами в свободном пространстве, разработанными в других лабораториях.«Хотя кремниевые фотонные системы — особенно те, которые используют изменения показателя преломления для восприятия — были исследованы ранее, новаторской частью нашей работы было использование этого типа системы для обнаружения очень слабых сигналов поглощения от небольших концентраций метана, и наши комплексный анализ шума и минимальные пределы обнаружения нашего сенсорного чипа », — сказал Чжан.Текущая версия спектрометра требует, чтобы свет проникал в чип и выходил из него через оптические волокна.
Однако исследователи работают над тем, чтобы встроить в чип источник света и детекторы, что позволит создать по существу электрическое устройство, не требующее волоконных соединений. В отличие от современных датчиков свободного пространства, чип не требует специальной подготовки образца или оптической подготовки.
В следующем году они планируют начать полевые испытания спектрометров, включив их в более крупную сеть, включающую другие стандартные датчики.«Наша работа показывает, что все знания, лежащие в основе производства кремниевой фотоники, упаковки и проектирования компонентов, могут быть использованы в области оптических датчиков для создания массовых производимых и, в принципе, недорогих датчиков, что в конечном итоге позволяет создать совершенно новый набор датчиков. приложений для этой технологии », — сказал Грин.