Технологии МЭМС в спектрофотометрии. Цифровое матричное зеркало DMD от Texas Instruments

| Texas Instruments

МЭМС-датчики присутствуют практически во всех портативных устройствах: от смартфонов до умных часов. Тем не менее, нельзя утверждать, что потенциал технологий МЭМС раскрыт до конца, так как периодически на рынке появляются новые экзотические устройства, использующие микромеханические элементы. Ярким примером этого стали цифровые матричные зеркала DMD от Texas Instruments. С их помощью удается значительно повысить точность и снизить стоимость спектрофотометров.

Решения для спектрофотометрии от Texas Instruments

Рис. 1. Решения для спектрофотометрии от Texas Instruments

Раздел науки, который занимается определением химического состава веществ по частотному спектру поглощаемого или излучаемого света, называется спектрофотометрией. Методы спектрофотометрии используются в различных областях: фармакология, сельское хозяйство, пищевая промышленность, химический анализ, медицина и т. д. 

Особый интерес для  спектрофотометрии представляет ближний инфракрасный диапазон (near-infrared, NIR) и коротковолновое ИК-излучение (short wave infrared, SWIR). Это связано с тем, что колебания молекул находятся именно в этом диапазоне частот.

Основным измерительным прибором в спектрофотометрии является спектрофотометр. Принцип его действия достаточно прост. Через испытуемый образец пропускается белый свет. Прошедший (и не поглощенный образцом) световой поток разделяется на спектральные составляющие, которые фиксируются с помощью фотоприемника. По соотношению длины волны и интенсивности можно судить о наличии или отсутствии того или иного типа молекул. При этом выбор чувствительного элемента (детектора) оказывается серьезной проблемой.

Раньше, когда технологии не были развиты, стоимость детекторов была высокой, а их характеристики достаточно скромными. По этой причине схема измерения имела всего один чувствительный элемент (например, фотодиод InGaAs) (рис. 2). Пучок света, испускаемый источником, проходил через образец и частично поглощался. Далее с помощью системы зеркал и линз оставшаяся часть света направлялась на дифракционную решетку, где происходило пространственное разделение на спектральные составляющие. Дифракционная решетка могла поворачиваться, тем самым меняя направление лучей. Вращая решетку, удавалось направлять на детектор требуемый сегмент потока. Приведенный метод достаточно точный и, вместе с тем, дорогой и сложный для реализации из-за необходимости использования прецизионной механики. По этой причине от него отказались, как только появилась возможность, создавать фотодиодные сборки.

Построение спектрофотометров на базе точечного приемника света

Рис. 2. Построение спектрофотометров на базе точечного приемника света

При использовании фотодиодной сборки схема измерения оставалась той же, но без вращающихся механических частей. Дифракционная решетка была неподвижной, а разделенный световой поток полностью попадал на поверхность детектора. На каждый чувствительный элемент приходилась своя часть спектра (рис. 3). Однако у такого подхода также есть недостатки. Во-первых, для получения достаточного разрешения необходимо использовать сборки с огромным количеством фотодиодов. Во-вторых, увеличение числа фотодиодов должно сопровождаться уменьшением их размеров. В-третьих, чувствительность не должна падать. Все эти условия можно выполнить, но стоимость высокоточных детекторов оказывается сверхвысокой.

Построение спектрофотометров на базе матрицы приемников света

Рис. 3. Построение спектрофотометров на базе матрицы приемников света

Компания Texas Instruments предлагает свое оригинальное решение задачи анализа спектра на базе цифровых матричных МЭМС-зеркал (digital micromirror device, DMD).

DMD – новые цифровые матричные модули микрозеркал от Texas Instruments (рис. 4). Поверхность DMD представляет собой матрицу из подвижных отражающих зеркальных элементов, положение которых задается с помощью цифрового управления. Поворачивая зеркала, можно либо отражать свет, либо пропускать его.

DMD-модули от Texas Instruments

Рис. 4. DMD-модули от Texas Instruments

При использовании DMD-модуля схема измерения не требует ни подвижных механических частей, ни дорогих фотодиодных сборок. В качестве детектора выступает единственный фотоприемник (рис. 4). В штатном режиме на отражение настроена только одна колонка матрицы зеркал, и на фотоприемник попадает только узкий участок спектра, остальные части светового потока устраняются.

Построение спектрофотометров на базе DMD-модулей от Texas Instruments

Рис. 5. Построение спектрофотометров на базе DMD-модулей от Texas Instruments

Положение зеркал в матрице DMD определяется зарядом, накопленным в транзисторах, находящихся в слое под МЭМС-элементами. Всего возможно два положения: +12° (включено) и -12° (выключено). При этом угол падения света должен быть определенным (рис. 6). Переключение зеркал из положения "Включено" в положение "Выключено" и обратно задается матрицей транзисторов, которые работают, как обычная память, и управляются специальными контроллерами.

Возможные положения зеркал в DMD-модулях

Рис. 6. Возможные положения зеркал в DMD-модулях

Можно заметить, что использование цифровых матричных модулей микрозеркал DMD от Texas Instruments дает следующие преимущества:

  • Возможность получения более высокого разрешения, чем при использовании фотодиодных сборок.
  • Возможность использования эффективных фотодиодов с большой площадью чувствительной поверхности. При этом их размеры могут достигать 1…3 мм, в то время как для сборок размеры отдельных фотодиодов, как правило, ограничены диапазоном 30..50 мкм, для получения достаточного разрешения.
  • Увеличение скорости измерения и сканирования спектра за счет высокого быстродействия МЭМС-зеркал.
  • Повышение соотношения сигнал/ шум.
  • Простота калибровки и возможность компенсации при изменении температуры и других условий среды.

В настоящий момент Texas Instruments предлагает восемь матриц DMD повышенного разрешения с числом пикселей более 1 миллиона.

DLP4500 – DMD-модуль с рабочим диапазоном волн 420…700 нм, рабочей частотой 120 Гц, размером матрицы зеркал 912x1140.

DLP4500NIR – DMD-модуль с рабочим диапазоном волн 700…2500 нм, рабочей частотой 120 Гц, размером матрицы зеркал 912x1140.

DLP6500FLQ и DLP6500FYE – DMD-модули с рабочим диапазоном волн 420…700 нм, рабочей частотой 250 Гц, размером матрицы зеркал 1920x1080. Между собой модули отличаются корпусным исполнением.

DLP9000 – DMD-модуль с рабочим диапазоном волн 420…700 нм, рабочей частотой 247 Гц, размером матрицы зеркал 2560x1600.

DLP9000– DMD-модуль с рабочим диапазоном волн 420…700 нм, рабочей частотой 1800 Гц, размером матрицы зеркал 2560x1600.

DLP9500 – DMD-модули с рабочим диапазоном волн 420…700 нм, рабочей частотой 1700 Гц, размером матрицы зеркал 1920x1080. DLP9500 требует дополнительного драйвера DLPA200 от Texas Instruments.

DLP9500UV – DMD-модули с рабочим диапазоном волн 363…420 нм, рабочей частотой 1700 Гц, размером матрицы зеркал 1920x1080. DLP9500UV требует дополнительного драйвера DLPA200 от Texas Instruments.

Рассмотрим структурную схему DMD-модуля на примере DLP4500 (рис. 7). Опытный разработчик сразу заметит сходство DMD и обычного ЖК-дисплея. При этом драйверы строк и генератор напряжения уже встроены в DLP4500. Стоит отметить, что в моделях DLP9500 и DLP9500UV драйвер отсутствует и должен устанавливаться отдельно, например, DLPA200 от Texas Instruments.

Структура DMD-модулей от Texas Instruments на примере DLP4500

Рис. 7. Структура DMD-модулей от Texas Instruments на примере DLP4500

Для защиты матрицы зеркал поверхность модуля покрыта стеклом, а в качестве несущей основы используется керамическая пластина (рис. 8). Контакты модуля выполнены в виде контактных площадок и разбиты на группы: отладочные выводы и системный интерфейс.

Внешний вид DMD-модулей от Texas Instruments

Рис. 8. Внешний вид DMD-модулей от Texas Instruments

Как было сказано выше, в состав DMD-модуля кроме самой МЭМС матрицы зеркал, входят: генератор напряжения, аппаратные драйверы (кроме модулей DLP9500 и DLP9500UV), блоки управления. Тем не менее, как и в случае с ЖК-экраном, для управления разверткой требуется внешний контроллер. Компания TI предлагает фирменные контроллеры собственной разработки:

DLPC350 – цифровой контроллер для DMD-модулей DLP4500 и DLP4500NIR;

DLPC410 – цифровой контроллер для DMD-модулей DLP7000 и DLP9500;

DLPC900 – цифровой контроллер для DMD-модулей DLP6500 и DLP9000.

Цифровой контроллер берет на себя все функции по управлению DMD-модулем и работает под управлением центрального процессора (рис. 9). Таким образом, законченный спектрофотометр на базе DMD будет иметь в своем составе:

  • электронную часть: DMD-модуль, центральный процессор, цифровой контроллер для DMD, систему питания источник света и фотоприемник, аналоговые измерительные цепи;
  • оптическую часть: систему линз, дифракционную решетку, щель;
  • конструктивные элементы.

Структура измерительной системы на базе DMD-модулей

Рис. 9. Структура измерительной системы на базе DMD-модулей

Конструкция спектрофотометра имеет свои особенности. Например, огромное значение играет точность позиционирования линз и других оптических элементов. Установке самого DMD-модуля также следует уделять повышенное внимание (рис. 10). При отсутствии опыта или при ограничении по времени разработки следует использовать готовые отладочные модули.

Монтаж от DMD-модулей

Рис. 10. Монтаж от DMD-модулей

Texas Instruments предлагает несколько отладочных модулей, которые представляют собой законченные измерительные системы (рис. 11).

DLPNIRscan – готовый спектрофотометр с рабочим диапазоном 1350…2450 нм, построенный на базе DLP4500NIR.

DLPNIRscanNano – готовый спектрофотометр с аккумуляторным питанием, поддержкой Bluetooth и рабочим диапазоном 900…1700 нм, построенный на базе DLP2010NIR.

Отладочные наборы для DMD-модулей

Рис. 11. Отладочные наборы для DMD-модулей

Целевыми областями для DMD-модулей от Texas Instruments являются: лабораторное оборудование для химического анализа, медицинские приборы, промышленные установки, микроскопы, оптические системы телекоммуникаций и т.д.

Характеристики цифрового матричного модуля микрозеркал DLP4500NIR:

  • спектр чувствительности: 700…2500 нм;
  • разрешение матрицы зеркал: 912 x 1140;
  • диагональ матрицы: 0,45 дюймов;
  • размер пиксела (зеркала): 7,6 мкм;
  • совместимость с контроллером: DLPC350;
  • рабочий диапазон температур: +10...+40°C;
  • корпус: 20,7 x 9,1 x 3,33 мм.
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DLP4500NIRFQD
DLP4500NIRFQD
Texas Instruments
Арт.: 1329811 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 924 шт.
Выбрать
условия
поставки
DMD - модуль с рабочим диапазоном волн 700...500 нм, рабочей частотой 120 Гц, размером матрицы зеркал 912x1140.
DLP4500NIRFQD 94181,74
924 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DLP4500NIRFQE
DLP4500NIRFQE
Texas Instruments
Арт.: 1329812 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 452 шт.
Выбрать
условия
поставки
DMD-модуль с рабочим диапазоном волн 700...500 нм, рабочей частотой 120 Гц, размером матрицы зеркал 912x1140.
DLP4500NIRFQE 89387,49
452 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DLPNIRSCANEVM
DLPNIRSCANEVM
Texas Instruments
Арт.: 1350461 ИНФО PDF
Доступно: 7 шт.
Выбрать
условия
поставки
Готовый спектрофотометр с рабочим диапазоном 1350...2450 нм, построенный на базе DLP4500NIR.
DLPNIRSCANEVM 1000000,00
7 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки