Fraunhofer将展示光学、化学及超声波传感器的最新进展

由于各种应用领域对传感器的需求不断增加，同时对传感器功能和性能有着不同的要求。因此，弗劳恩霍夫光子微系统研究所（Fraunhofer IPMS）研究工作的核心目标是开发定制和特定应用的传感器及其系统。这样做可以扩展现有产品，并通过使用创新的技术、组件和系统使新的应用成为可能。

与标准传感器相比，这些定制传感器的特点是精度更高、尺寸更小、能效更高且功能更多。Fraunhofer IPMS服务范围从概念和原型开发延伸到实验室和洁净室的试生产——从组件到完整的系统。人工智能（AI）软件的组合加成，也使得Fraunhofer IPMS能够开发出完整的“智能”传感系统。

Fraunhofer IPMS将在2023年5月于德国纽伦堡（Nuremberg）举行的SENSOR+TEST贸易博览会上展示光学传感器、化学传感器和超声波传感器的最新进展。

光学传感器

Fraunhofer IPMS提供创新的紧凑型和超紧凑型近红外（NIR）光谱分析系统。此外，Fraunhofer IPMS将首次展示一种使用光谱分析来检测纺织品成分的演示装置，其应用领域的整个价值链将出现许多可能性。例如，纺织品买家在购买时就可以对材料质地进行检查；在衣物护理时，能通过分析污垢颗粒来确定是否需要清洁，并可根据颜色和材料确定合适的洗涤程序。该光谱分析系统还可用于纺织品回收，根据颜色和材料对纺织品进行分类。

Fraunhofer IPMS近红外光谱分析系统的其它应用领域包括食品新鲜度测试、回收过程中塑料物品的分类，或确定药品中原材料的类型和浓度等。该光谱分析系统在设计过程中可以灵活适应不同的光谱范围。

由于近红外光谱传感与简单的RGB成像相结合，可实现最大限度的材料信息识别——从而能够通过人工智能（AI）软件连接到智能系统。Fraunhofer IPMS计划对光谱分析系统进行持续开发，目标是扩大光谱传感范围至紫外（UV）领域，以使得霉菌和细菌等污染物“可见”。

化学传感器

在化学传感器领域，Fraunhofer IPMS科学家们将展示一种电化学分析芯片，其微电极由金、银或铂制成，能够以最小的分析量实现多种电化学分析，典型应用领域包括有机半导体的材料开发或离线反应控制以及体液的电化学分析。

集成了工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE）的电化学分析芯片（芯片尺寸为5 mm x 5 mm）

为了检测水溶液中的离子浓度、离子电导率和温度，Fraunhofer IPMS开发了基于离子敏感场效应晶体管（ISFET）的传感器和可连接的集成技术，这使得例如无需传统参比电极的pH测量成为可能。因此可以在包含电导率和温度传感器的芯片上实现pH测量。该芯片可以干燥保存，并可以集成于CMOS之中。此外，传感层的修改还可以调整特定离子或分子的灵敏度。

Fraunhofer IPMS还致力于离子迁移谱仪（IMS）的开发，未来将用于相关气体的便携式快速检测。该技术能够直接检测空气中ppm级和ppb级浓度范围内的可电离分析物，特别适用于环境、食品和生物医学分析。可检测物质来源于例如丙酮或甲苯等挥发性有机成分（VOC），它们在标记识别或污染物检测中非常重要。对于这种痕量气体分析，Fraunhofer IPMS开发了一个模块化组件，可与客户或合作伙伴一起用于特定应用的产品开发。Fraunhofer IPMS的组件、技术和系统集成的基本独特理念超越了市场上现有的解决方案，因此有望在未来的气体传感器技术领域实现创新的解决方案。

左侧是电化学分析芯片的结构示意图，可以插入并接触右侧所示的测量适配器

由于体积小巧的移动设备的发展，使得可以直接在现场进行测量分析，例如检测关键位置的有害排放物或支持医务人员进行诊断或治疗。此外，微机电系统（MEMS）技术的应用使离子迁移谱仪芯片能够经济高效地大批量生产。Fraunhofer IPMS的目标是提供可广泛使用并部署在各种应用场景中的移动分析设备。

超声波传感器

在超声波传感器领域，Fraunhofer IPMS正在开发电容式微机械超声换能器（CMUT），其可以产生低至MHz范围的振动频率的超声波，典型应用领域包括与边缘AI结合的预测性维护、手势识别和控制设备，以及作为光学或雷达系统替代方案的距离检测。

CMUT也可以应用于医疗领域。在此次展会上，Fraunhofer IPMS将展示一款肺活量计演示系统。该系统是人工智能控制的分散式患者监测系统的一部分。先进的CMUT超声波传感器技术为开发功能强大的移动肺活量计做出了重要贡献。

审核编辑：刘清