В последнее время все чаще поступают новости о применении МЭМС-технологий для решения задач спектрального анализа. В частности компания InfraTec анонсировала серию датчиков LFP, в которых используется резонатор Фабри-Перо, выполненный по МЭМС-технологии. Этот резонатор имеет возможность подстройки воздушного зазора и способен выступать в качестве фильтра светового потока с программируемым спектром пропускания.
Рис. 1. Датчики серии LFP от компании InfraTec
Анализ спектра оптического излучения является важной задачей для множества отраслей (сельское хозяйство, химия, фармакология, металлургия и т. д.). Несмотря на это, существующие приборы для практической спектрометрии зачастую оказываются далекими от идеала из-за высокой стоимости, малой технологичности, низкого разрешения, недостаточной чувствительности или малой универсальности. Это вынуждает производителей искать новые пути решения этих проблем и предлагать инновационные продукты, о которых по мере возможности рассказывается на портале Унитера. Данная статья посвящена обзору датчиков серии LFP, которые построены на базе программируемого МЭМС-резонатора Фабри-Перо (FPI detector).
По заверениям компании InfraTec их новые малогабаритные анализаторы спектра по уровню универсальности и точности измерений приближаются к лабораторным спектрометрам (рис. 2). При этом они оказываются на порядок дешевле и технологичнее, а также имеют минимальные габариты.
Рис. 2. Сравнение различных типов анализаторов спектра
Чтобы понять суть решения предлагаемого InfraTec, следует кратко напомнить принцип работы резонатора Фабри-Перо (рис. 3). Конструктивно резонатор представляет собой две зеркальные поверхности, расположенные параллельно. Когда свет попадает в зазор между ними, он подвергается множественным отражениям. При этом «пройти» сквозь зеркало способен только свет с определенной длиной волны (λCWL) либо с ее кратными составляющими (2·λCWL , 3·λCWL и т. д.) и с узкой шириной спектра (HPBW).
Чтобы получить из такого резонатора полноценный фильтр, необходимо добавить еще один дополнительный фильтрующий элемент, который «вычистит» кратные составляющие из спектра (2·λCWL , 3·λCWL и т. д.). Далее свет может быть сфокусирован на собирающей линзе, после чего его направляют на точечный детектор.
Рис. 3. Принцип работы фильтра, созданного на базе резонатора Фабри-Перо
Длина волны отфильтрованного света (λCWL) зависит от угла падения исходного луча и от расстояния между зеркальными пластинами. Если изменять расстояние между пластинами, то длина волны λCWL будет также меняться. Именно эту идею использует InfraTec в своих анализаторах LFP.
Чтобы создать резонатор Фабри-Перо с регулируемым зазором, компания InfraTec использует МЭМС-технологию (рис. 4). В предложенной конструкции один из резонаторов оказывается неподвижным, а второй размещается на мембране, которая натягивается или расслабляется под действием электрического поля. При натяжении или расслаблении мембраны расстояние между зеркальными поверхностями компонента меняется, что приводит к изменению длины волны проходящего света.
Рис. 4. Структура оптической системы в анализаторах серии LFP от компании InfraTec
Для управления величиной воздушного зазора используется внешнее напряжение с диапазоном максимальных значений от 30 до 90 В (рис. 5). Каждому значению напряжения соответствует определенное положение пластин резонатора и конкретное значение длины волны пропускаемого света. В итоге, изменяя напряжение, можно сканировать спектр и производить замеры отдельных спектральных составляющих.
Рис. 5. Пример зависимости длины волны и ширины спектра от приложенного напряжения
Конструктивно анализаторы спектра серии LFP представляют собой компоненты типа «система в корпусе» (рис. 6). В их состав, кроме оптических элементов и фотодетектора, входят традиционные микросхемы. Размеры корпуса оказываются весьма скромными: диаметр 15,2 мм, высота 6,5 мм, длина выводов 13 мм.
.jpg)
Рис. 6. Конструктивное исполнение анализаторов серии LFP от компании InfraTec
Во всех моделях датчиков LFP сигнал с широкополосного фотодетектора подается на усилитель, после чего поступает на выход для дальнейшей обработки внешним процессором (рис. 7). Существуют версии анализаторов (в их наименовании присутствует литера «С»), в которых встроена специализированная ПЛИС. Эта ПЛИС используется для выполнения автоматической температурной компенсации и поддержания стабильного положения зазора в резонаторе.
.png)
Рис. 7. Структурная электрическая схема датчиков LFP
В настоящий момент InfraTec планирует выпуск четырех типов анализаторов спектра LFP с различными диапазонами подстройки длины волны (рис. 8).
LFP-3144-337 – датчики с подстройкой длины волны в диапазоне 3,1...4,4 мкм и шириной спектра пропускаемого света 55...70 нм. Версия LFP-3144C-337 отличается наличием управляющей ПЛИС.
LFP-3850-337 – датчики с подстройкой в диапазоне 3,8...5,0 мкм и шириной спектра 60...75 нм. Версия LFP-3850С-337 отличается наличием управляющей ПЛИС.
LFP-5580-337 – датчики с подстройкой в диапазоне 5,5...8,0 мкм и шириной спектра 100...130 нм. Версия LFP-5580С-337 отличается наличием управляющей ПЛИС. Ключевыми приложениями для этих датчиков являются промышленные системы и анализаторы состава жидкостей.
LFP-80105-337 – датчики с подстройкой в диапазоне 8,0...10,5 мкм и шириной спектра 130...220 нм. Версия LFP-80105С-337 отличается наличием управляющей ПЛИС. Эти сенсоры предназначены в первую очередь для медицинских приложений.
.jpg)
Рис. 8. Спектральные характеристики анализаторов спектра LFP
Все представленные датчики имеют одинаковое корпусное исполнение и сохраняют работоспособность в диапазоне рабочих температур +15…+65 °C. Для полноценного функционирования эти сенсоры требуют сразу четырех напряжений питания: 3,3 В, ±5 В, 12 В, 30...90 В.
Сейчас нельзя однозначно утверждать, будет ли решение, предложенное InfraTec, востребовано или нет, однако стоит отметить его основные достоинства при создании анализаторов спектра:
- Отсутствие необходимости в использовании сложной оптической системы. Все манипуляции выполняются с помощью МЭМС-резонатора, управляемого электрометрическими сигналами.
- Использование всего одного детектора, что резко снижает стоимость датчика.
- Возможность создания малогабаритных и портативных измерительных приборов.
- Невысокая стоимость реализации конечного устройства (по заверениям производителя).
- Высокая точность, недостижимая для традиционных бюджетных решений.
Для быстрого ознакомления с характеристиками анализаторов спектра LFP можно воспользоваться отладочным набором (рис. 9). В его состав входит базовая плата с USB-интерфейсом для подключения к компьютеру и плата датчика. Датчик устанавливается в особую колодку. Данный набор работает с напряжением питания 12 В и потребляет около 150 мА. Остальные необходимые уровни напряжений (3,3 В, ±5 В, 12 В, 30...90 В) формируются на плате. Измерение показаний датчика производится с разрешением 12 бит при частоте выборок 2 кГц.
.jpg)
Рис. 9. Отладочный набор для работы с анализаторами спектра LFP
Отладочный набор подразумевает совместную работу с программной утилитой FPI Evaluation Workbench, которая позволяет выполнять и отслеживать измерения спектральных составляющих в реальном времени (рис. 10).
.jpg)
Рис. 10. Утилита FPI Evaluation Workbench для работы с отладочным набором
Характеристики анализатора спектра LFP-3850C-337:
- диапазон подстройки длины волны: 3,8...5,0 мкм;
- ширина спектра: 60...75 нм;
- напряжение питания: 3,3 В, ±5 В, 12 В, 30...90 В;
- диапазон рабочих температур: +15…+65°C;
- корпус: 12-выводной 15,2x6,5 мм, длина выводов 13 мм.
О компании
InfraTec – компания, основанная в 1991 году и специализирующаяся в области разработки и производства решений и компонентов для оптического спектрального анализа.
