【摘要】：光譜分析技術(shù)能夠快速、無損的獲取物質(zhì)成分信息,在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的興起,將光譜分析技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合研制物聯(lián)網(wǎng)光譜感知節(jié)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程光譜信息感知與物質(zhì)成分在線監(jiān)測功能。短波紅外光譜波段包含非常豐富的光譜信息,在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的短波紅外光譜設(shè)備由于體積龐大,價(jià)格昂貴,直接應(yīng)用到光譜感知節(jié)點(diǎn)中會存在移動性差,成本高的問題。銦鎵砷(InGaAs)光譜組件是一種感知短波紅外光譜信息的傳感器。它由InGaAs焦平面探測器和微型分光元件以及封裝管殼組成,具有體積小、重量輕、價(jià)格相對低廉的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)紅外光譜設(shè)備相比,InGaAs光譜組件更加適用于物聯(lián)網(wǎng)光譜感知節(jié)點(diǎn)。目前,市面上成熟的InGaAs產(chǎn)品常采用模擬電壓輸出,往往需要搭配商用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路芯片對輸出進(jìn)行數(shù)字化,便于后續(xù)數(shù)字信號處理。片上數(shù)字化輸出是InGaAs焦平面微型化的一個(gè)發(fā)展趨勢。焦平面集成片上數(shù)字輸出功能,能夠有效縮短模擬信號傳輸途徑,降低噪聲和信號串?dāng)_對輸出信號的影響。本文首先對InGaAs光譜組件數(shù)字輸出進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一款集成片上數(shù)字輸出功能的讀出電路芯片;其次基于讀出電路芯片研制了一款新型InGaAs數(shù)字輸出光譜組件;最后設(shè)計(jì)了一套微型光譜感知節(jié)點(diǎn),初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程光譜信息感知功能。具體內(nèi)容如下:(1)本論文針對微型化InGaAs光譜組件設(shè)計(jì)了集成片上數(shù)字輸出功能的128×1讀出電路。電路內(nèi)部集成有逐次逼近架構(gòu)的14 bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于逐次逼近電路內(nèi)部集成有單位電容網(wǎng)絡(luò),電容網(wǎng)絡(luò)走線帶來的寄生電容會嚴(yán)重影響匹配精度。本論文提出了一種新的版圖走線方案,降低電容網(wǎng)絡(luò)寄生電容,使最大電容陣列失配率由9.1%降低至2.3%。讀出電路采用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流片,芯片功能正常,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。(2)基于數(shù)字128×1讀出電路芯片,研制出國內(nèi)首款集成數(shù)字輸出功能的InGaAs光譜組件。該組件實(shí)現(xiàn)了短波紅外波段光譜信息感知以及數(shù)字電壓信號輸出功能。光譜組件采用256×1 InGaAs光敏芯片作為光敏元件,采用線性漸變?yōu)V光片作為分光元件。組件共有202個(gè)光譜通道,光譜范圍950-1700 nm,光譜分辨率11-16 nm,基本滿足短波紅外光譜分析應(yīng)用需求。(3)基于數(shù)字光譜組件研制了新型物聯(lián)網(wǎng)光譜感知節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸功能。采用三層板層疊結(jié)構(gòu)減少系統(tǒng)尺寸,實(shí)現(xiàn)了光譜節(jié)點(diǎn)微型化。該節(jié)點(diǎn)尺寸為42×70×42 mm~3,重量為68 g。節(jié)點(diǎn)的性能滿足設(shè)計(jì)要求,并具備微型化和輕量化的特點(diǎn),為短波紅外光譜傳感物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN219;TP212
【圖文】：

應(yīng)用研究報(bào)告》中，總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)十大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是智能安防、智慧能源、智能醫(yī)療、智慧建筑、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)[14-23]。經(jīng)過十年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛紅外光譜傳感物聯(lián)網(wǎng)的形成得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)進(jìn)行深度過程的信息感知[25-27]。將紅外光譜分析技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)既具備近紅外光譜分析快速感知和無損檢測的特有的全面感知、可靠傳輸和智能處理的功能。.1 所示，物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[29]。紅節(jié)點(diǎn)隸屬于光譜物聯(lián)網(wǎng)感知層。利用節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)了光譜能。傳統(tǒng)的紅外光譜感知設(shè)備體積龐大，價(jià)格昂貴[30-31]，感知節(jié)點(diǎn)中會存在移動性差，成本高的問題，迫切需要一譜感知設(shè)備。

第 1 章 緒論多專業(yè)的光譜儀器公司均已研制出不同類型的微型紅外光譜儀。美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn)了一款硬幣大小的微型近紅外光纖光譜儀 STS-NIR尺寸為 40×42×24 mm3，重量為 68 g，波長范圍 650-1100 nm，波長分辨率為 1.nm[35]，實(shí)物圖如圖 1.2（左）所示。日本濱松生產(chǎn)的微型光譜儀 C11708MA 只有拇指大小，尺寸為 27.6×16.8×13mm3，重量為 9g，波長范圍 640-1050 nm，波長分辨率為 20 nm[36]，實(shí)物圖如圖 1.2（右）所示。該公司另一款微型光譜儀C12280MA 是目前世界上最小的光譜儀，它的尺寸只有 20.1×12.5×10.1mm3，重量為 5g，光譜范圍 340-850nm，分辨率 15nm[37]。此外，美國 Judson 公司以線性漸變?yōu)V光片作為核心分光元件，生產(chǎn)出超緊湊微型光譜儀系統(tǒng) MicroNIR，波長范圍 950-1650 nm，重量小于 60 g[38]。

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