CN112567216A - 用于检测化学物质的集成的传感器模块 - Google Patents
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Abstract
一种集成的传感器模块包括能够操作以将UV辐射发射到样本上的UV辐射源和包括光谱敏感的UV通道的传感器，所述光谱敏感的UV通道被设置为接收来自该样本的UV辐射。每个UV通道包括相应的感测装置和设置在该相应的感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器。用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于检测化学物质的集成的传感器模块。
背景技术
已经提出了用于在实验室和即时护理场所(point-of-care settings)中测试化学物质的各种技术。此类测试可用于例如对样本进行法医测试，以检测非法物质(例如药物)的存在。这些测试可用于例如协助其他政府执法机构的警察，以及由医院、危害减轻机构和照顾患者或药物康复设施中的人的患者诊所使用。
以下是可用于测试化学物质的技术的示例：质谱法；红外光谱法，拉曼光谱法，X射线光谱法，薄层色谱法，紫外线光谱法，斑点/颜色测试，微晶测试，免疫分析和尿液试纸测试。这些技术在以下方面有所不同：区分不同物质的能力、可以检测和区分的物质的范围、确定所检测的特定物质的量的能力、测试的相对成本以及使用测试的易用性。
通常，期望提供一种能够检测并区分范围广泛的化学物质的低成本集成的传感器。优选地，传感器应当提供提高的准确性并且可以相对简单地使用。
发明内容
本公开描述了一种用于检测化学物质的集成的传感器模块。
例如，在一个方面，本公开描述了一种集成的传感器模块，其包括：能够操作以将UV辐射发射到样本上的UV辐射源，以及包括多个光谱敏感的UV通道的传感器，光谱敏感的UV通道被设置为接收来自样本的UV辐射。每个UV通道包括相应的感测装置和设置在相应的感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器。用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，该透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征(spectral signature)。
一些实施方式包括以下特征的一个或多个。例如，在某些情况下，传感器能够操作以并行地在多个UV通道的每一个中积分信号。传感器模块可以包括信号处理器，该信号处理器能够操作以对来自UV通道的信号执行信号处理，以确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致(align)。
根据另一方面，一种方法包括将样本放置在能够操作以检测化学物质的集成的传感器模块中，并且将来自UV辐射源的UV辐射发射到样本上。该方法还包括在多个光谱敏感的UV通道中的每一个中接收来自样本的UV辐射，每个UV通道包括相应的感测装置和设置在相应的感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器。用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，该透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征。该方法包括：将来自每个UV通道的相应的积分的信号提供给信号处理器，以及至少部分地基于来自UV通道的相应的积分的信号来确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致。
在一些实施方式中，该方法包括并行地在每个UV通道中积分信号。确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致可以包括将来自UV通道的相应的积分的信号与相应的预定值进行比较。在某些情况下，该方法包括至少部分地基于比较来识别样本的成分。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了化学物质检测传感器模块的示例。
图2是示出传感器模块的各种功能组件的框图。
图3是示出UV感测装置的示例的示意图。
图4是示出对来自传感器模块通道的信号进行信号处理的示意图。
图5是示出根据本公开的方法的流程图。
具体实施方式
本公开描述了一种集成的传感器模块，该集成的传感器模块能够操作以检测和区分样本中存在的不同的化学物质，例如微粒物(例如，非法药物的分子)。在某些情况下，传感器模块能够操作以进行实时测量，在实时测量中辐射源向样本发射紫外线(UV)辐射，由样本反射的UV辐射被检测并将在光谱敏感的UV通道的阵列中进行积分。该阵列可以包括多个UV通道，每个UV通道对于特定的化学物质(例如，药物)是光谱敏感的并且是隔离的。
如图1的示例中所示，化学物质检测传感器模块10包括光学源12，该光学源12能够操作以朝着样本14(例如固体、液体或气体)发射UV辐射。辐射源12可以包括例如可调的单色UV光源，其能够操作以发射大约200-400nm范围内的辐射。在某些情况下，辐射源12还包括第二可切换的宽带辐射源，其能够操作以发射更长的波长(例如，长达900nm)，该更长的波长可用于测试样本14的荧光效果(即，检测由样本反射的波长的峰值)。可以在由源12发射的辐射的路径上设置包括一个或多个透镜或其他光学元件的光学系统16，以便将发射的辐射聚焦到样本14上。由样本反射的辐射中的至少一些可以由包括辐射敏感通道20的阵列的传感器18感测。
每个通道20并入有相应的UV敏感的光电二极管以及具有透射特性的UV干涉滤波器，该透射特性在光谱上响应于相应药物或其他化学物质的光谱特征。因此，例如，如果传感器18包括五十个通道20的阵列，则模块10能够操作以检测多达五十种不同的化学物质，每种化学物质具有与能够通过其他通道20检测的化学物质的光谱特征不同的光谱特征。
辐射屏蔽件22可以设置在辐射源12与传感器18之间，以防止由源12发射的辐射直接撞击到传感器18的通道20上。优选地，屏蔽件12由对UV辐射不反射且不透射的材料组成。模块10可以容纳在黑暗的、非反射的室28中，该室28将传感器18与外部的寄生辐射隔离。
如图2所示，除了UV敏感通道20之外，传感器18还可以包括附加的通道以帮助区分和测量UV带内和带外辐射。例如，传感器18可以包括具有带通滤波器的畅通(clear)UV通道24，该带通滤波器选择性地使例如预定范围(例如200-400nm)的UV辐射通过。因此，UV畅通通道24能够操作以测量样本14在预定的UV范围内的总体UV响应。此外，传感器18可以包括UV阻挡通道26，UV阻挡通道26使非UV辐射(例如可见光和红外(IR)辐射)通过，但是阻挡UV辐射。UV阻挡通道26允许模块10测量由样本14看到的带外辐射。
如图3的示例中所示，每个通道20包含具有UV光电二极管结构30和专用UV型滤波器32的专用UV感测装置。优选地，每个通道20中的光电二极管结构在光谱的UV部分(例如200-400nm)中具有强的光响应，并且在光谱的可见和IR部分具有降低的光响应。
各种化学物质(例如，药物)固有地具有对UV光源12的独特的光谱响应。提供特定于特定药物的光谱响应的定制的干涉滤波器32用于带通或带阻操作。用于特定通道20的干涉滤波器32对应于要由该通道感测的分子的光谱响应。为每个通道20并入相应的干涉滤波器32有助于模块辨别样本14中存在的药物或其他化学物质的类型的能力。每个特定药物检测通道20中的光电二极管30在时间上对所感测的、在由用于该通道的滤波器32定义的频带内的各种波长的UV辐射进行积分。
为了提高灵敏度，可以将每种化学物质的预期光谱响应与光电二极管硅的光谱响应度进行卷积，以补偿硅在270nm处的光谱响应度降低。因此，用于每个相应通道20的干涉滤波器32可以被配置为对于那些UV光电二极管30不那么敏感的波长使更多的光通过，并且对于那些UV光电二极管30更敏感的波长使更少的光通过。以这种方式，可以定制每个通道20的干涉滤波器32以反映固有灵敏度与UV滤波器的波长的对比。卷积曲线因此表示专用于特定化学物质的干涉滤波器的透射率定义，特定通道20被设计为检测该特定化学物质。
如图2进一步所示，传感器模块10包括模数转换器(ADC)34，以测量由每个通道20、24、26中的光电二极管30产生的光电流。然后，将输出响应传输到用于信号处理和数据分析的信号处理电路36以识别样本14中是否存在任何预定的化学物质以及每种化学物质的量。信号处理电路36能够操作以基于对来自通道20的输出信号的分析来识别样本14中的(多个)化学物质。如图4所示，传感器18能够操作以并行地(即，同时地)在多个UV通道20中积分信号，并且执行信号处理以辨别与药物或其他化学物质的特定光谱特征匹配或一致的响应度。来自每个通道的积分信号被提供给比较块40(参见图4)，该比较块40能够操作以将来自每个通道20的输出信号与存储在存储器35(参见图2)中的相应的预定值进行比较。比较块40可以集成在信号处理电路36中。在单个集成系统中对多个药物物质进行比率度量交叉分析可以允许通过对每个通道的输出响应度实施相对比较来进行快速分析和检测。
可以将由UV畅通通道24和UV阻挡通道26产生的信号用作参考信号。例如，信号处理电路36可以处理和使用来自UV阻挡通道26的信号以归一化从UV通道20获得的信号。同样地，信号处理电路36可以处理和使用来自UV畅通通道24的信号来改善信噪比。通过检测和考虑背景辐射，来自UV畅通通道24和UV阻挡通道26的信号还可以用于改善整个信号采集过程。
在某些情况下，传感器18针对每个感兴趣的化学物质具有两个通道。通道中的第一通道被配置为，如上所述基于样本14对UV照射的响应来感测样本14的响应。第二通道被配置为感测样本14的荧光效果。在这种情况下，信号处理电路36还能够操作以基于样本14的荧光效果来分析来自通道20的输出。通过分析当用UV辐射直接照射样本14时通道20输出的信号，以及由荧光效果引起的、通道20输出的信号，在识别样本14的化学物质时可以达到更高的精度。在某些情况下，即使没有用UV辐射照射样本，样本14也可以发射UV范围内的辐射。在这种情况下，可能不需要用来自可调单色UV光源的UV辐射来照射样本14。
在一些实施方式中，模块10包括管芯上温度传感器，该管芯上温度传感器耦合至温度控制器38以在每个通道20中提供UV光电二极管30的温度相关的泄漏电流补偿。并入温度控制器38可以有助于校正来自前端ADC34的温漂偏移，该温漂偏移由光电二极管泄漏和来自模拟前端的一般晶体管泄漏引起。温度控制器38也可以被并入作为信号处理电路36的一部分。
信号处理电路36可以被实现为例如集成电路。在某些情况下，处理电路36可以包括软件和/或固件。信号处理电路36的输出例如可以耦合到监视器或其他显示单元以指示样本14的化学物质与关联于通道20中的任何一个通道的光谱特征之间是否存在匹配，如果是，则可以识别检测到的化学物质以及检测到的量。
在一些实施方式中，适合用在传感器18的通道20中的光电二极管结构30包括两个阱(特别是两个离子注入阱)的叠加，这两个阱在半导体基底内具有相反类型的导电性。半导体基底具有第一类型的导电性，而第一阱具有第二类型，并且第二阱具有第一类型。通过调节阱的掺杂浓度或轮廓，在半导体基底的主表面上形成具有第二类型的导电性的光子捕获层。在光子捕获层与第二阱之间形成的p-n结可用于检测入射的UV辐射。例如，可以将光电二极管结构30实现在半导体晶片或半导体管芯中和/或可以是集成电路的一部分。
如图3的示例中所示，UV光电二极管结构30包括半导体基底S，半导体基底S包括例如硅的半导体材料并且具有第一类型的导电性，例如p型导电性。光电二极管结构还包括第一阱W1，其布置在半导体基底S内并且具有与第一类型相反的第二类型的导电性，第二类型例如是n型导电性。光电二极管结构30还包括第二阱W2，该第二阱W2例如布置在第一阱W1内并且具有第一类型的导电性。因此，通过半导体基底S与第一阱W1之间的边界形成第一p-n结PN1，并且通过第一阱W1与第二阱W2之间的边界形成第二p-n结PN2。有利地，这种光电二极管结构主要对UV辐射敏感，并且降低了对可见光或红外辐射的灵敏度。
在半导体基底S的主表面MS处的表面区域内，第一阱Wl的掺杂浓度(特别是载流子浓度)大于第二阱W2的掺杂浓度(特别是载流子浓度)。因此，在主表面MS处、特别是在表面区域中形成具有第二类型的导电性的光子捕获层PC。因此，通过第二阱W2与光子捕获层PC之间的边界形成检测PN结PND。在该示例中，不与光子捕获层PC相对应的第二阱W2的部分被表示为第二阱W2，并且既不与第二阱W2也不与光子捕获层PC相对应的第一阱W1的部分被表示为第一阱W1。
在图3的示例中，光电二极管结构30包括在半导体基底内具有第二类型的导电性的接触区域CR，其用于接触光子捕获层PC。光电二极管结构30还包括例如经由接触区域CR连接到光子捕获层PC的第一感测端子T1。此外，光电二极管结构30可以包括连接到半导体基底S、第一阱W1和第二阱W2的参考端子TR。在一些实施方式中，参考端子TR连接到半导体基底S和第一阱W1，并且光电二极管装置包括连接到第二阱W2的另一参考端子。
图3的传感器装置的光电二极管结构30由第一阱W1和第二阱W1以及所形成的光子捕获层PC形成。具体地，检测p-n结PND可以用于检测UV辐射。在检测p-n结PND的耗尽区域内产生的光电流例如可以经由第一感测端子T1进行读取或测量。
在一些实施方式中，其他结构可以用于传感器18的每个通道中的UV辐射感测装置。
图5示出了根据本公开的方法。该方法包括将样本放置在能够操作以检测化学物质的集成的传感器模块中(100)，并且将来自UV辐射源的UV辐射发射到该样本上(102)。该方法进一步包括在多个光谱敏感的UV通道中的每一个中接收来自该样本的UV辐射(104)，每个UV通道包括相应的感测装置和设置在该相应感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器。用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，该透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征。在某些情况下，该方法包括并行地在每个UV通道中积分信号。该方法包括将来自每个UV通道的相应的积分的信号提供给信号处理器(106)；并且至少部分地基于来自UV通道的相应的积分的信号来确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致(108)。确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致可以包括例如将来自UV通道的相应的积分的信号与相应的预定值进行比较。在某些情况下，该方法包括至少部分地基于该比较来识别样本的成分(110)。
可以在本公开的精神内做出各种修改。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。
Claims (16)
1.一种用于检测化学物质的集成的传感器模块，所述传感器模块包括：
能够操作以将UV辐射发射到样本上的UV辐射源；和
包括多个光谱敏感的UV通道的传感器，所述光谱敏感的UV通道被设置为接收来自所述样本的UV辐射，每个UV通道包括相应的感测装置和设置在所述相应的感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器，用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，所述透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征。
2.根据权利要求1所述的集成的传感器模块，其中，所述传感器能够操作以并行地在多个UV通道的每一个中积分信号，所述传感器模块进一步包括信号处理器，所述信号处理器能够操作以对来自UV通道的信号进行信号处理，以确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致。
3.根据权利要求2所述的集成的传感器模块，其中，所述传感器耦合到所述信号处理器，使得来自所述UV通道的积分的信号能够被提供给所述信号处理器以与存储在存储器中的相应的预定值进行比较。
4.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，其中，所述传感器包括UV畅通通道，所述UV畅通通道能够操作以测量样本在预定的UV范围内的总体UV响应。
5.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，其中，所述传感器还包括UV阻挡通道，所述UV阻挡通道能够操作以使非UV辐射通过并阻挡UV辐射。
6.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，进一步包括宽带辐射源，所述宽带辐射源能够操作以将宽带辐射发射到所述样本上，其中，所述传感器中的至少一些通道能够操作以基于所述样本的荧光效果来检测辐射，并且将输出信号提供给所述信号处理器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，其中，每个UV通道的感测装置包括光电二极管结构。
8.根据权利要求7所述的集成的传感器模块，其中，所述光电二极管结构包括具有相反类型的导电性的两个离子注入阱的叠加。
9.根据权利要求8所述的集成的传感器模块，其中，所述光电二极管结构包括具有第二类型的导电性的光子捕获层，其中，在所述光子捕获层与所述第二阱之间形成的p-n结能够操作以检测入射的UV辐射。
10.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，其中，用于所述通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，所述透射特性在光谱上响应于相应药物的光谱特征。
11.根据上述权利要求中任一项所述的集成的传感器模块，进一步包括耦合至所述信号处理器的输出的显示器，所述显示器能够操作以基于相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致来提供样本的成分的视觉指示。
12.一种方法，包括
将样本放置在能够操作以检测化学物质的集成的传感器模块中；
将来自UV辐射源的UV辐射发射到所述样本上；
在多个光谱敏感的UV通道中的每一个中接收来自所述样本的UV辐射，每个UV通道包括相应的感测装置和设置在所述相应的感测装置的UV辐射敏感部分上方的相应的UV干涉滤波器，用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，所述透射特性在光谱上响应于相应化学物质的光谱特征；
将来自每个UV通道的相应的积分的信号提供给信号处理器；并且
至少部分地基于来自UV通道的所述相应的积分的信号来确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的化学物质的光谱特征匹配或一致。
13.根据权利要求12所述的方法，包括并行地在多个UV通道的每一个中积分信号。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述确定包括将来自UV通道的所述相应的积分的信号与相应的预定值进行比较。
15.根据权利要求14所述的方法，包括至少部分地基于所述比较来识别所述样本的成分。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，用于通道中的每个特定通道的相应的UV干涉滤波器具有透射特性，所述透射特性在光谱上响应于相应药物的光谱特征，并且其中，所述方法包括至少部分地基于来自UV通道的所述相应的积分的信号来确定相应的响应度是否与关联于UV通道中的任何特定一个通道的药物的光谱特征匹配或一致。
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