Titelartikel Der Proceedings of the National Academy of Sciences! Chinesisches Team Veröffentlicht KI-adaptives Mikrospektrometer, Das Auf Waferebene Produziert Werden Kann
Die Wellenlängenerkennung von Licht spielt in der wissenschaftlichen Forschung und in industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle, und optische Spektrometer sind unverzichtbare Analysewerkzeuge. Heutzutage können die sperrigen herkömmlichen Spektrometer die wachsende Nachfrage nach spektraler Detektionstechnologie nicht mehr erfüllen.Die Miniaturisierung ist der einzige Weg für die Entwicklung von Spektrometern geworden.Es verfügt über ein großes Anwendungspotenzial in verschiedenen Bereichen wie der maschinellen Bildverarbeitung, der Umweltüberwachung und der medizinischen Diagnose.
Zur Miniaturisierung von Spektrometern gibt es viele verschiedene technische Ansätze. Computergestützte Rekonstruktionsspektrometer, die auf Algorithmen der künstlichen Intelligenz basieren, haben in den letzten Jahren in der Branche viel Aufmerksamkeit erregt. Dieses Spektrometer ersetzt durch Hochgeschwindigkeitsrechner die Arbeitslast der physischen Spektrometerkomponenten teilweise, wodurch Größe und Gewicht des Instruments weiter reduziert werden können.
Aufgrund der Vielfalt der spektralen Morphologien und der Annahme einer Signalspärlichkeit erfordern die bisher beschriebenen Rekonstruktions-Mikrospektrometer jedoch normalerweise eine manuelle Kalibrierung der Algorithmusparameter, da sonst die Wiederherstellungsergebnisse des gemessenen Spektrums verzerrt sein können. Gleichzeitig ist noch nicht nachgewiesen, dass sich dieser Spektrometertyp durch die Verarbeitung integrierter Schaltkreise direkt in Massenproduktion herstellen lässt.
In diesem Zusammenhang veröffentlichte die Forschungsgruppe von Professor Mei Yongfeng vom Department of Materials Science und dem International Institute of Intelligent Nanorobots and Nanosystems der Fudan University ein Forschungsergebnis mit dem Titel „CMOS-Compatible Reconstructive Spectrometers with Self-Referencing Integrated Fabry-Perot Resonators“ in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.Diese Leistung wurde auch als Titelartikel dieser Ausgabe ausgewählt.
Das Team schlug ein neues miniaturisiertes Rekonstruktionsspektrometer-Design vor, das die Vorteile herkömmlicher Spektrometer und rechnergestützter Rekonstruktionsspektrometer durch einen integrierten selbstreferenzierenden Schmalbandfilterkanal kombiniert.Dies ermöglicht es Algorithmen der künstlichen Intelligenz, spektrale und algorithmische Parameter gleichzeitig in einem höherdimensionalen Parameterraum zu suchen.Darüber hinaus kann das Spektrometer mithilfe ausgereifter integrierter Schaltkreisprozesse auf Waferebene hergestellt werden und weist eine Größe im Millimeterbereich auf, die ausreicht, um die meisten Anforderungen an miniaturisierte Spektraltests zu erfüllen.
Forschungshighlights:
* Diese Studie schlägt ein neues Design eines miniaturisierten Rekonstruktionsspektrometers vor, das eine genaue spektrale Rekonstruktionsfähigkeit im gesamten sichtbaren Lichtband (400-800 nm) mit einer Auflösung von etwa 2,5 nm, einer durchschnittlichen Wellenlängenabweichung von etwa 0,27 nm und einer Auflösung von bis zu 5.806 aufweist. * Diese Studie liefert eine neue Idee zur Realisierung eines universellen und äußerst robusten Miniatur-Rekonstruktionsspektrometers und soll die Integration von Miniatur-Spektraldetektionssystemen in CIS-Bildmodule mit Hilfe ausgereifter CMOS-Technologie für integrierte Schaltkreise fördern.
* Die Leistung dieses Spektrometers kommt der von kommerziellen Glasfaserspektrometern nahe, aber die Kosten und die Größe sind erheblich reduziert
Papieradresse:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403950121
Das Open-Source-Projekt „awesome-ai4s“ vereint mehr als 100 AI4S-Papierinterpretationen und stellt umfangreiche Datensätze und Tools bereit:
https://github.com/hyperai/awesome-ai4s
Datensätze: Wenden Sie unterschiedliche Methoden zur Spektralableitung auf unterschiedliche Datensätze an
Die Forscher teilten die vom Mikrospektrometer erhaltenen Stromdaten in zwei Datensätze auf: Schmalbandkanalströme und Gesamtkanalströme und wandten dann auf jeden Datensatz unterschiedliche Methoden zur spektralen Ableitung an.
* Schmalband-Datensatz
Hierzu gehört der in einem Schmalbandfilterkanal innerhalb der entworfenen Fabry-Perot-(FP)-Höhle gemessene Strom. Für diesen Datensatz leiteten die Forscher eine Punkt-für-Punkt-Spektralkurve direkt ab, indem sie den Antwortstrom jedes Kanals durch seine Empfindlichkeit dividierten – was sie ein selbstreferenziertes Spektrum nennen.
* Alle Kanaldatensätze
Enthält Strom von allen Kanälen, einschließlich Schmalbandkanälen. Für diesen Datensatz optimierten die Forscher iterativ die Algorithmusparameter, indem sie die algorithmisch rekonstruierten Spektralergebnisse mit dem selbstreferenziellen Spektrum (abgeleitet aus dem Schmalbandkanal) verglichen, um die optimale Rekonstruktion und Wiederherstellung der Spektralkurve zu erreichen.
Funktionsprinzip: Rekonstruktion eines genauen und stabilen Spektrums durch Einführung eines selbstreferenziellen Spektrums
Abbildung A unten zeigt das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Spektrometers.Es verwendet schmale Bandpassfilter, um zwischen verschiedenen Wellenlängen zu unterscheiden, und die Intensität jeder Wellenlänge wird direkt anhand der Lichtmenge gemessen, die durch den entsprechenden Filter gelangt. Dieser Vorgang kann als „Punkt-zu-Punkt“-Zuordnung beschrieben werden. Obwohl das resultierende Spektrum grob ist, ist die Wellenlängenposition, die jedem Filter entspricht, relativ genau.
Abbildung B oben beschreibt das Funktionsprinzip eines typischen rekonstruktiven Spektrometers.Das Spektrometer kodiert das unbekannte Spektrum (Encoder) in die gesammelten Daten und rekonstruiert diese Daten dann durch einen überwachten Algorithmus mit dem Parameter Φ zu einem Spektrum. Der Algorithmus sucht nach der minimalen Kostenfunktion im spektralen Parameterraum S, normalerweise durch Regularisierungsmethoden wie Tikhonov oder Totalvariation. Obwohl diese Rekonstruktion hochauflösende Spektren erzeugen kann, können die Ergebnisse instabil sein, da unterschiedliche Wahlen des Parameters Φ zu unterschiedlichen minimalen Verlustfunktionen führen können.
Abbildung C unten zeigt das Funktionsprinzip des in dieser Studie vorgeschlagenen selbstadaptiven Spektrometers.Zusätzlich zur Kodierung des Spektrums als Daten für den Algorithmus liefert das Spektrometer auch auf herkömmliche Weise ein grobes Selbstreferenzspektrum. Durch diese Selbstreferenz kann eine zweistufige Optimierung im Spektralparameterraum S und im Algorithmusparameterraum Φ implementiert werden, sodass die Suche nach der minimalen Verlustfunktion höhere Dimensionen abdeckt. Dies ermöglicht die Identifizierung einer globalen minimalen Kostenfunktion durch automatische Auswahl optimaler Parameter, was zur Rekonstruktion genauer und stabiler Spektren führt.
Die folgende Abbildung veranschaulicht den Rekonstruktionsprozess des adaptiven Spektrums, d. h. den adaptiven Algorithmus, genauer.
Insbesondere verfügt das miniaturisierte Spektrometer über eine Reihe von Schmalbandkanälen für herkömmliche Spektralmessungen, sodass es zwei Sätze aktueller Daten für die Spektralmessung bereitstellt.Die erste Gruppe ist der Strom des Schmalspektrum-Antwortkanals.Es kann als Skalarprodukt der spektralen Intensität eines bestimmten Bandes und der Reaktion des für dieses Band zuständigen Kanals betrachtet werden, woraus leicht ein explizites, aber grobes Spektrum gewonnen werden kann.Die zweite Gruppe ist der Strom aus allen Kanälen (einschließlich Schmalbandkanälen),Es handelt sich um das integrierte Ergebnis der Multiplikation des Spektrums jeder Wellenlänge mit der Kanalantwort (Skalarproduktantwort).
Die Forscher führten die aus dem ersten Datensatz erhaltenen spektralen Ergebnisse als Selbstreferenz für die aus dem zweiten Satz von Strömen berechnete Lösung ein.Der Algorithmus kann verschiedene Parameter selbstständig anpassen und durch inhärente Iteration stabile Ergebnisse erzielen, die dem realen Spektrum nahe kommen.
Forschungsergebnisse: Präzise spektrale Rekonstruktion über das gesamte sichtbare Lichtband
Die Wellenlängenauflösung ist ein wichtiger Parameter für Spektrometer, insbesondere bei Anwendungen wie Wellenlängenmessgeräten oder der hochpräzisen Materialidentifizierung. In Leistungstests zeigte das Spektrometer genaue spektrale Rekonstruktionsfähigkeiten über das gesamte sichtbare Lichtband (400–800 nm). Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich zwischen der Eingangs-Spitzenwellenlänge und der rekonstruierten Ausgangs-Spitzenwellenlänge.Zeigt eine gute Konsistenz.
Die Forscher analysierten außerdem die Abweichungen des miniaturisierten Spektrometers, wie unten gezeigt, und berechneten die Auflösung bei einer gegebenen Eingangswellenlänge: Rλ = λ/Δλ,Es wurde eine mittlere Wellenlängenabweichung von etwa 0,27 nm und eine Auflösung von bis zu 5.806 erreicht.
Die Forscher wandten bei ihrem Miniaturspektrometer auch den Auflösungstest herkömmlicher Spektrometer an: Zwei monochromatische Lichtspitzen wurden gleichzeitig auf das Spektrometer gerichtet und der Abstand zwischen ihnen schrittweise verringert, um den Mindestabstand zu untersuchen, bei dem das miniaturisierte Spektrometer die beiden Spektrallinien noch auflösen konnte. Wie in der Abbildung unten gezeigt,Zwei Peaks im Abstand von 2,5 nm bei etwa 518 nm können aufgelöst werden.
Diese Ergebnisse zeigen, dassDie Leistung des im Rahmen der Studie entwickelten miniaturisierten Spektrometers ist mit kommerziellen Glasfaserspektrometern und anderen kleinen Spektrometern vergleichbar, allerdings zu deutlich geringeren Kosten und in geringerer Größe.
Auf dieser Grundlage demonstrierte das Forschungsteam nach der Kombination von Mikrofluidik und mechanischen Scansystemen die Leistung des adaptiven Mikrospektrometers in gängigen Laboranwendungen wie Transmissions-, Absorptions- und Photolumineszenzspektroskopiemessungen. Die Ergebnisse stimmten im Wesentlichen mit denen kommerzieller Glasfaserspektrometer überein, wie in den Abbildungen A–F unten gezeigt.
(A) Schematische Darstellung des Mikrotransmissions-Absorptionsspektroskopietests;
(BC) Rekonstruktionsergebnisse des Transmissionsspektrums (B) und Absorptionsspektrums (C) von Vitamin B;
(D) Schematische Darstellung des Mikrophotolumineszenzspektroskopietests;
(E) Rekonstruktionsergebnisse des Photolumineszenzspektrums von Rhodamin B;
(F) Rekonstruktionsergebnisse des Photolumineszenzspektrums von Graphen-Quantenpunkten
Neben der hervorragenden Leistung ist es noch wichtiger,Das Spektrometer kann mithilfe ausgereifter integrierter Schaltkreisprozesse auf Waferebene hergestellt werden und hat eine Größe im Millimeterbereich.Es reicht aus, um die meisten Anforderungen an miniaturisierte Spektraltests zu erfüllen.
Zusammenfassend liefert diese Forschung eine neue Idee zur Realisierung eines Miniatur-Rekonstruktionsspektrometers mit Universalität und hoher Robustheit. Es wird erwartet, dass die Integration von Miniatur-Spektralerkennungssystemen in CIS-Bildmodule mithilfe ausgereifter CMOS-Technologie für integrierte Schaltkreise vorangetrieben wird, um Anwendungen in den Bereichen mobile tragbare Messung, fahrzeugmontierte maschinelle Bildverarbeitung und verteilte Überwachungssysteme den Vorrang zu geben.
Weitere Vertiefung der Grundlagenforschung wie Materialien
Die oben erwähnte Forschung wurde vom National Key R&D Program, der National Natural Science Foundation, der Shanghai Science and Technology Commission und anderen Projekten finanziert und unterstützt. Einige Experimente wurden im öffentlichen Labor für Mikro-Nano-Verarbeitung und -Geräte der Universität Fudan durchgeführt. Professor Mei Yongfeng ist der korrespondierende Autor des Artikels.
Als Professor für Materialwissenschaften an der Fudan-Universität war Mei Yongfeng schon immer ein Praktiker und Verfechter der Grundlagenforschung. Er sagte einmal: „Grundlagenforschung zielt darauf ab, Phänomene zu verstehen, neue Wissensgebiete zu entdecken und zu erschließen. Sie scheint sehr weit vom Leben entfernt zu sein und keinen praktischen Nutzen zu haben, aber in WirklichkeitGrundlagenforschung ist die grundlegendste Triebkraft für gesellschaftliche Entwicklung.Das ist vergleichbar mit den Ziegeln, die man zum Bau eines Hauses braucht: Auch wenn man nicht weiß, wofür ein bestimmter Ziegel verwendet wird, stürzt das Haus ein, wenn man diesen Ziegel entfernt. "
Mit diesem Konzept hat das von Professor Mei Yongfeng geleitete Forschungsteam viele herausragende Beiträge in der Grundlagenforschung und Materialwissenschaft geleistet, mehr als 300 wissenschaftliche Arbeiten in Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials usw. veröffentlicht, mehr als 10.000 Mal zitiert und mehr als 20 Erfindungspatente genehmigt.
Als eine der typischen Errungenschaften veröffentlichte die Forschungsgruppe von Mei Yongfeng im Januar 2023 in „Nature Communications“ einen Artikel mit dem Titel „Selbstrollen von Vanadiumdioxid-Nanomembranen für eine verbesserte mehrstufige Solarmodulation“.
Das Forschungsteam ließ sich von Jalousien inspirieren.Der gespannte Vanadiumdioxidfilm auf dem Glas wird desorbiert und mithilfe der Selbstrolltechnologie zu einem intelligenten Fenster mit „Blatt“-Anordnung aufgerollt.Das intelligente Fenster kann durch Änderungen der Umgebungstemperatur in den Zustand vollständig gebogen (offen), halb gebogen (halb geöffnet) und flach (geschlossen) moduliert werden. Außerdem kann eine selbstreaktive intelligente Umschaltung erreicht werden, wodurch die Lichtdurchlässigkeit im vollständig geöffneten Zustand erheblich verbessert wird und gleichzeitig eine mehrstufige Modulation der Lichtdurchlässigkeit mit unterschiedlichen Öffnungsgraden erreicht wird.
Diese Arbeit kombiniert auf kreative Weise die thermoinduzierte Deformationsfähigkeit und die thermochrome Fähigkeit intelligenter Vanadiumdioxid-Dünnschichtmaterialien.Es überwindet die Schwierigkeiten herkömmlicher Flachfolien, indem es Lichtdurchlässigkeit, Energiespareffizienz und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungen berücksichtigt.Es bietet eine neue, umsetzbare Idee für die neue Generation effizienter intelligenter Fenster.
Die „Selbstorganisation zweidimensionaler Nanomembranen zu dreidimensionalen Mikrostrukturen“ gilt als wichtiger Weg zur Herstellung mikroelektronischer Geräte der nächsten Generation, was für kommende fortschrittliche elektronische und optoelektronische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Die Bildung der endgültigen geometrischen Form des zweidimensionalen Nanofilms wird jedoch durch die Ätzbahn, chemische Reaktionen, das Seitenverhältnis und andere komplexe Faktoren beeinflusst, was es schwierig macht, die Produktausbeute und die Fertigproduktrate selbstorganisierter Geräte während des Herstellungsprozesses zu verbessern, was ihren tatsächlichen Übergang vom Labor zur industriellen Anwendung ernsthaft behindert.
Als Reaktion darauf veröffentlichte die Forschungsgruppe von Professor Mei Yongfeng im Juni dieses Jahres in „Nature Communications“ ein Forschungsergebnis mit dem Titel „Multilevel-Design und -Konstruktion beim Rollen von Nanomembranen für die dreidimensionale winkelempfindliche Fotodetektion“.
In dieser Studie wurde eine mehrstufige quasistatische Methode zur Finite-Elemente-Analyse vorgeschlagen. Auf der Grundlage dieses Entwurfs wurden sechs Arten von dreidimensionalen Mikrostrukturen aus Silizium- (Si)/Chrom- (Cr) Nanofilmen und entsprechende dreidimensionale optische Detektoren konstruiert, wodurch die gute Vielseitigkeit und industrielle Anwendbarkeit dieser Technologie vollständig bestätigt wurde.
In Zukunft wird sich die Forschungsgruppe von Professor Mei Yongfeng auch eingehender mit Mikro-Nanomechanik, Nanooptik, Nanoelektronik, Mikro-Nanorobotik, Mikro-Nanofluidik, Mikroenergiespeicherung, Oberflächenplasmonen und Metamaterialien befassen und den Fortschritt der Grundlagenforschung weiter vorantreiben.
Quellen:
1.https://news.fudan.edu.cn/2024/0820/c5a141853/page.htm
2.https://www.memstraining.com/news-41.html
3.https://www.sohu.com/a/634625615_12