数字输出的微型短波红外铟镓砷光谱组件研究

发布时间：2020-06-23 06:11

【摘要】：光谱分析技术能够快速、无损的获取物质成分信息,在农业、医学等各个领域应用广泛。近年来,随着物联网和云计算技术的兴起,将光谱分析技术与物联网结合研制物联网光谱感知节点,能够实现远程光谱信息感知与物质成分在线监测功能。短波红外光谱波段包含非常丰富的光谱信息,在众多领域具有广泛的应用价值。传统的短波红外光谱设备由于体积庞大,价格昂贵,直接应用到光谱感知节点中会存在移动性差,成本高的问题。铟镓砷(InGaAs)光谱组件是一种感知短波红外光谱信息的传感器。它由InGaAs焦平面探测器和微型分光元件以及封装管壳组成,具有体积小、重量轻、价格相对低廉的特点。与传统红外光谱设备相比,InGaAs光谱组件更加适用于物联网光谱感知节点。目前,市面上成熟的InGaAs产品常采用模拟电压输出,往往需要搭配商用模数转换电路芯片对输出进行数字化,便于后续数字信号处理。片上数字化输出是InGaAs焦平面微型化的一个发展趋势。焦平面集成片上数字输出功能,能够有效缩短模拟信号传输途径,降低噪声和信号串扰对输出信号的影响。本文首先对InGaAs光谱组件数字输出进行了研究,设计了一款集成片上数字输出功能的读出电路芯片;其次基于读出电路芯片研制了一款新型InGaAs数字输出光谱组件;最后设计了一套微型光谱感知节点,初步实现了远程光谱信息感知功能。具体内容如下:(1)本论文针对微型化InGaAs光谱组件设计了集成片上数字输出功能的128×1读出电路。电路内部集成有逐次逼近架构的14 bits模数转换器。由于逐次逼近电路内部集成有单位电容网络,电容网络走线带来的寄生电容会严重影响匹配精度。本论文提出了一种新的版图走线方案,降低电容网络寄生电容,使最大电容阵列失配率由9.1%降低至2.3%。读出电路采用0.18μm标准CMOS工艺流片,芯片功能正常,各项性能指标满足设计要求。(2)基于数字128×1读出电路芯片,研制出国内首款集成数字输出功能的InGaAs光谱组件。该组件实现了短波红外波段光谱信息感知以及数字电压信号输出功能。光谱组件采用256×1 InGaAs光敏芯片作为光敏元件,采用线性渐变滤光片作为分光元件。组件共有202个光谱通道,光谱范围950-1700 nm,光谱分辨率11-16 nm,基本满足短波红外光谱分析应用需求。(3)基于数字光谱组件研制了新型物联网光谱感知节点。该节点实现了光谱数据的采集和无线传输功能。采用三层板层叠结构减少系统尺寸,实现了光谱节点微型化。该节点尺寸为42×70×42 mm~3,重量为68 g。节点的性能满足设计要求,并具备微型化和轻量化的特点,为短波红外光谱传感物联网应用提供技术支持。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN219;TP212
【图文】：

示意图,三层体系结构,示意图,联网技术

应用研究报告》中，总结了物联网十大应用领域，分别是智能安防、智慧能源、智能医疗、智慧建筑、智能制造、智慧农业[14-23]。经过十年的发展，物联网技术已经被广泛红外光谱传感物联网的形成得益于物联网技术在农业领域农业利用物联网、云计算等现代信息技术与农业进行深度过程的信息感知[25-27]。将红外光谱分析技术与物联网结合物联网既具备近红外光谱分析快速感知和无损检测的特有的全面感知、可靠传输和智能处理的功能。.1 所示，物联网主要分为感知层，网络层和应用层[29]。红节点隶属于光谱物联网感知层。利用节点能够实现了光谱能。传统的红外光谱感知设备体积庞大，价格昂贵[30-31]，感知节点中会存在移动性差，成本高的问题，迫切需要一谱感知设备。

微型光谱仪,海洋光学

第 1 章绪论多专业的光谱仪器公司均已研制出不同类型的微型红外光谱仪。美国海洋光学公司生产了一款硬币大小的微型近红外光纤光谱仪 STS-NIR尺寸为 40×42×24 mm3，重量为 68 g，波长范围 650-1100 nm，波长分辨率为 1.nm[35]，实物图如图 1.2（左）所示。日本滨松生产的微型光谱仪 C11708MA 只有拇指大小，尺寸为 27.6×16.8×13mm3，重量为 9g，波长范围 640-1050 nm，波长分辨率为 20 nm[36]，实物图如图 1.2（右）所示。该公司另一款微型光谱仪C12280MA 是目前世界上最小的光谱仪，它的尺寸只有 20.1×12.5×10.1mm3，重量为 5g，光谱范围 340-850nm，分辨率 15nm[37]。此外，美国 Judson 公司以线性渐变滤光片作为核心分光元件，生产出超紧凑微型光谱仪系统 MicroNIR，波长范围 950-1650 nm，重量小于 60 g[38]。

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