編者按：本文來自微信公眾號「MEMS」（ID：MEMSensor），作者麥姆斯諮詢殷飛，原文題目《可以嵌入智慧型手機的緊湊型紅外光譜儀》，36氪經授權發布。
長約2cm的晶片，可以精確分析紅外光譜
蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員開發了一種緊湊型紅外光譜儀。它小到足以集成在一顆計算機晶片上，但它的性能仍然可以為太空和日常生活應用開闢很多有趣的可能性。
如今，智慧型手機幾乎可以執行所有功能：拍攝照片或視頻、發送消息、確定當前位置、以及視頻電話等。如果加上ETH研究人員開發的這款多功能緊湊型紅外光譜儀，我們的智慧型手機甚至可以確定啤酒的酒精含量，或者一份水果的成熟程度。
乍一看，使用智慧型手機進行化學分析似乎是一個很大膽的想法。因為，目前可以進行此類化學分析的紅外光譜儀通常重達幾公斤到幾十公斤，很難將它們集成到手持設備中。據麥姆斯諮詢報導，蘇黎世聯邦理工學院物理系光學納米材料教授Rachel Grange領導的研究小組現在朝著這一願景邁出了重要的一步，David Pohl和Marc Reig Escale與其他同事合作開發了一款尺寸僅約2平方釐米的晶片。利用這款晶片，他們可以像使用傳統光譜儀一樣分析紅外光。
波導替代反射鏡
傳統光譜儀的入射光會在反射鏡反射之前先經過分光系統將其在一定空間內按規律分開，然後反射光束重新組合併用光電探測器測量。移動其中一個反射鏡便會產生幹涉圖紋，利用幹涉圖紋可以確定入射光中不同波長的比例。由於每種化學物質都有其獨特的紅外特徵吸收，因此科學家可以使用所得的圖譜來識別測試樣品中出現的物質和濃度。
ETH研究人員開發的微型光譜儀也利用了相同的原理。但是，在他們開發的器件中，不再藉助可移動反射鏡來分析入射光。他們採用了一種可以通過外部電場調節光學折射率的特殊波導。Pohl解釋說：「改變折射率具有與移動反射鏡相似的效果，因此，這種設計使我們能夠以相同的方式分離入射光譜。」
有挑戰的結構化工藝
根據波導的配置，研究人員可以檢測光譜的不同部分。「理論上，只要合理配置波導，我們的微型光譜儀不僅可以測量紅外光，還可以測量可見光。」Escalé表示。與僅能覆蓋狹窄光譜範圍的其他集成光譜儀相比，Grange小組開發的器件具有重大優勢，因為它可以很方便地實現寬光譜分析。
除了體積小巧之外，ETH物理學家的創新還具有另外兩個優點：與需要不斷重新校準的傳統設備相比，這種「晶片上的光譜儀」僅需校準一次；此外，由於它不包含任何活動部件，因此更經久耐用，需要的維護更少。
ETH研究人員在這款片上光譜儀中使用了一種材料，這種材料在電信行業中也用作調製器。該材料具有許多積極的特性，但作為波導，它會將光限制在內部。這一缺點使其不夠理想，因為只有在部分引導光可以射出的情況下才可能進行測量。為此，科學家設計了一種精細的金屬結構以連接到波導上，從而將光散射到器件外部。Grange解釋說：「這需要在潔淨室進行大量工作，按照我們所需要的方式構造材料。」
完美適用於太空應用
不過，這種微型光譜儀要實際集成到行動裝置或其他電子設備中，仍然需要進行一些技術改進。Grange說：「目前，我們還需要利用外部傳感器測量信號。因此，如果我們要打造一款完整的緊湊設備，還需要集成對應的探測器。」
最初，研究人員的目標應用並不是化學分析，而是針對完全不同的應用——天文學研究，紅外光譜儀可以提供有關遙遠天體的重要信息。由於地球的大氣層吸收了大量的紅外光，因此，需要將這些儀器放置在太空中的衛星或望遠鏡上。這種緊湊、輕便且穩定的微型光譜儀，在向太空運送時顯然相對更經濟，自然具有很大優勢。