由于各種應用領域對傳感器的需求不斷增加，同時對傳感器功能和性能有著不同的要求。因此，弗勞恩霍夫光子微系統研究所（Fraunhofer IPMS）研究工作的核心目標是開發定制和特定應用的傳感器及其系統。這樣做可以擴展現有產品，并通過使用創新的技術、組件和系統使新的應用成為可能。

與標準傳感器相比，這些定制傳感器的特點是精度更高、尺寸更小、能效更高且功能更多。Fraunhofer IPMS服務范圍從概念和原型開發延伸到實驗室和潔凈室的試生產——從組件到完整的系統。人工智能（AI）軟件的組合加成，也使得Fraunhofer IPMS能夠開發出完整的“智能”傳感系統。

Fraunhofer IPMS將在2023年5月于德國紐倫堡（Nuremberg）舉行的SENSOR+TEST貿易博覽會上展示光學傳感器、化學傳感器和超聲波傳感器的最新進展。

光學傳感器

Fraunhofer IPMS提供創新的緊湊型和超緊湊型近紅外（NIR）光譜分析系統。此外，Fraunhofer IPMS將首次展示一種使用光譜分析來檢測紡織品成分的演示裝置，其應用領域的整個價值鏈將出現許多可能性。例如，紡織品買家在購買時就可以對材料質地進行檢查；在衣物護理時，能通過分析污垢顆粒來確定是否需要清潔，并可根據顏色和材料確定合適的洗滌程序。該光譜分析系統還可用于紡織品回收，根據顏色和材料對紡織品進行分類。

Fraunhofer IPMS近紅外光譜分析系統的其它應用領域包括食品新鮮度測試、回收過程中塑料物品的分類，或確定藥品中原材料的類型和濃度等。該光譜分析系統在設計過程中可以靈活適應不同的光譜范圍。

由于近紅外光譜傳感與簡單的RGB成像相結合，可實現最大限度的材料信息識別——從而能夠通過人工智能（AI）軟件連接到智能系統。Fraunhofer IPMS計劃對光譜分析系統進行持續開發，目標是擴大光譜傳感范圍至紫外（UV）領域，以使得霉菌和細菌等污染物“可見”。

化學傳感器

在化學傳感器領域，Fraunhofer IPMS科學家們將展示一種電化學分析芯片，其微電極由金、銀或鉑制成，能夠以最小的分析量實現多種電化學分析，典型應用領域包括有機半導體的材料開發或離線反應控制以及體液的電化學分析。

集成了工作電極（WE）、對電極（CE）和參比電極（RE）的電化學分析芯片（芯片尺寸為5 mm x 5 mm）

為了檢測水溶液中的離子濃度、離子電導率和溫度，Fraunhofer IPMS開發了基于離子敏感場效應晶體管（ISFET）的傳感器和可連接的集成技術，這使得例如無需傳統參比電極的pH測量成為可能。因此可以在包含電導率和溫度傳感器的芯片上實現pH測量。該芯片可以干燥保存，并可以集成于CMOS之中。此外，傳感層的修改還可以調整特定離子或分子的靈敏度。

Fraunhofer IPMS還致力于離子遷移譜儀（IMS）的開發，未來將用于相關氣體的便攜式快速檢測。該技術能夠直接檢測空氣中ppm級和ppb級濃度范圍內的可電離分析物，特別適用于環境、食品和生物醫學分析?？蓹z測物質來源于例如丙酮或甲苯等揮發性有機成分（VOC），它們在標記識別或污染物檢測中非常重要。對于這種痕量氣體分析，Fraunhofer IPMS開發了一個模塊化組件，可與客戶或合作伙伴一起用于特定應用的產品開發。Fraunhofer IPMS的組件、技術和系統集成的基本獨特理念超越了市場上現有的解決方案，因此有望在未來的氣體傳感器技術領域實現創新的解決方案。

左側是電化學分析芯片的結構示意圖，可以插入并接觸右側所示的測量適配器

由于體積小巧的移動設備的發展，使得可以直接在現場進行測量分析，例如檢測關鍵位置的有害排放物或支持醫務人員進行診斷或治療。此外，微機電系統（MEMS）技術的應用使離子遷移譜儀芯片能夠經濟高效地大批量生產。Fraunhofer IPMS的目標是提供可廣泛使用并部署在各種應用場景中的移動分析設備。

超聲波傳感器

在超聲波傳感器領域，Fraunhofer IPMS正在開發電容式微機械超聲換能器（CMUT），其可以產生低至MHz范圍的振動頻率的超聲波，典型應用領域包括與邊緣AI結合的預測性維護、手勢識別和控制設備，以及作為光學或雷達系統替代方案的距離檢測。

CMUT也可以應用于醫療領域。在此次展會上，Fraunhofer IPMS將展示一款肺活量計演示系統。該系統是人工智能控制的分散式患者監測系統的一部分。先進的CMUT超聲波傳感器技術為開發功能強大的移動肺活量計做出了重要貢獻。

審核編輯：劉清