Ваш город: Москва
+7 (495) 221-78-04
+7 (812) 327-327-1
Терраэлектроника

Спектрометры LFP на базе МЭМС-резонаторов Фабри-Перо от InfraTec

InfraTec GmbH

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.

Датчики серии LFP от компании InfraTec

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.

Сравнение различных типов анализаторов спектра

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.

Принцип работы фильтра, созданного на базе резонатора Фабри-Перо

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.

Структура оптической системы в анализаторах серии LFP от компании InfraTec

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.

Пример зависимости длины волны и ширины спектра от приложенного напряжения

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.

Конструктивное исполнение анализаторов серии LFP от компании InfraTec

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.

Структурная электрическая схема датчиков LFP

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.

Спектральные характеристики анализаторов спектра LFP

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.

 Отладочный набор для работы с анализаторами спектра LFP

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).

Утилита FPI Evaluation Workbench для работы с отладочным набором

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.


Производитель: InfraTec GmbH
LFP-3144C-337 LFP-3144C-337 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
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. PDF ИНФО По запросу
LFP-3850C-337 LFP-3850C-337 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Датчики с подстройкой в диапазоне 3,8...5,0 мкм и шириной спектра 60...75 нм. Версия LFP-3850С-337 отличается наличием управляющей ПЛИС. PDF ИНФО По запросу
LFP-5580C-337 LFP-5580C-337 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
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. PDF ИНФО По запросу
LFP-80105С-337 LFP-80105С-337 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Датчики с подстройкой в диапазоне 8,0...10,5 мкм и шириной спектра 130...220 нм. Версия LFP-80105С-337 отличается наличием управляющей ПЛИС. Сенсоры предназначены в первую очередь для медицинских приложений. PDF ИНФО По запросу
Версия для печати версия для печати

Заметили ошибку в работе сайта?
Скажите нам об этом