CN114174805A - 用于检测化学物质的集成传感器模块 - Google Patents

Abstract

一种装置包括用于检测化学物质的集成传感器模块。传感器模块包括UV辐射源，该UV辐射源能够操作以将UV辐射发射到样本上。传感器模块还包括传感器，该传感器包括专用通道，该专用通道设置成接收由样本反射的UV辐射。每个通道选择性地对UV光谱的不同相应部分敏感；通道共同覆盖足以重建样本的光谱曲线的UV光谱的至少一部分。电子控制单元可用于基于来自通道的信号识别样本的构成。

Description

用于检测化学物质的集成传感器模块

技术领域

本公开涉及用于检测化学物质的集成传感器模块。

背景技术

已经提出了各种技术用于在实验室和即时医疗环境中测试化学物质。例如，这种测试可用于样本的法医测试，以检测非法物质(例如，药物)的存在。例如，这些测试可用于协助其他政府执法机构的警察，以及为患者或戒毒机构中的人员提供护理的医院、减少伤害机构和患者诊所。

以下是可用于测试化学物质的技术示例：质谱法；红外光谱法、拉曼光谱法、x射线光谱法、薄层色谱法、紫外光谱法、斑点/颜色测试、微晶测试、免疫测试和尿试纸测试。这些技术在区分不同物质的能力、可以检测和区分的物质范围、确定检测到的特定物质的量的能力、测试的相对成本以及测试的易用性方面有所不同。

总的来说，希望提供能够检测和区分多种化学物质的低成本集成传感器。优选地，传感器应该提供增加的精度，并且使用起来相对简单。

发明内容

本公开描述了用于检测化学物质的集成传感器模块。

例如，在一个方面，本公开描述了一种包括用于检测化学物质的集成传感器模块的装置。传感器模块包括UV辐射源和传感器，UV辐射源能够操作以将UV辐射发射到样本上，传感器包括专用通道，专用通道设置成接收由样本反射的UV辐射。每个通道选择性地对UV光谱的不同相应部分敏感，使得通道共同覆盖足以重建样本的光谱曲线的UV光谱的至少一部分。

本公开还描述了一种方法，该方法包括向样本发射UV辐射，以及在多个专用通道中的至少一些中感测由样本反射的UV辐射。每个通道选择性地对UV光谱的不同相应部分敏感，使得通道共同覆盖足以重建样本的光谱曲线的UV光谱的至少一部分。该方法包括在电子控制单元中接收来自多个通道的输出信号，以及基于输出信号识别样本的构成。

一些实施方式包括一个或多个以下特征。例如，在一些情况下，通道共同覆盖UV光谱的连续部分。在某些情况下，通道在UV光谱的连续部分上平均分布。UV光谱的连续部分可以是，例如，10nm-400nm，200nm-400nm，或者UV光谱的一些其他部分。在一些情况下，每个通道具有相同的半峰全宽光谱灵敏度(例如，不超过10nm，或不超过5nm)。在一些实施方式中，每个通道包括相应的感测设备和设置在相应的感测设备的UV辐射敏感部分上方的相应UV滤光器。

该装置可以包括电子控制单元，该电子控制单元能够操作以至少部分地基于来自通道的相应信号来确定通道的总响应度是否与特定化学物质的光谱特征一致。电子控制单元能够操作以将通道的总响应度与存储在存储器中的预定值进行比较。在一些情况下，电子控制单元能够操作以至少部分地基于比较来识别样本的构成。

根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。

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感测设备的示例的示意图。

图4是示出根据本公开的方法的流程图。

图5是示出了通道透射示例的图。

图6是示出来自样本化学物质的通道响应的示例的图。

图7是将通道响应与理论存储样本曲线进行比较的图。

具体实施方式

本公开描述了一种集成传感器模块，其能够操作以检测和区分不同的化学物质，例如存在于样本中的颗粒物质(例如，非法药物分子)。在一些情况下，传感器模块能够操作用于实时测量，其中辐射源向样本发射紫外(UV)辐射，并且由样本反射的UV辐射被检测并在光谱敏感UV通道的阵列中积分。

如图1的示例所示，化学物质检测传感器模块10包括光源12，光源12能够操作以向样本14(例如，固体、液体或气体)发射UV辐射。辐射源12可以包括例如可调单色UV光源，其能够操作以发射约200-400nm范围内的辐射。在一些情况下，辐射源12还包括第二可切换宽带辐射源，该第二可切换宽带辐射源能够操作以发射更长的波长(例如，高达900nm)，该波长可用于测试样本14的荧光效应(即，检测样本反射的峰值波长)。包括一个或多个透镜或其他光学元件的光学系统16可以设置在由源12发射的辐射的路径中，以便将发射的辐射聚焦到样本14上。如图1和图2所示，至少一些被样本反射的辐射可以被包括辐射敏感通道20的阵列的传感器18感测到。

辐射敏感通道的阵列可以包括多个专用UV通道，每个专用UV通道选择性地对光谱的UV部分内的相应的窄波长窗口敏感，使得通道共同覆盖整个UV光谱(即，10nm-400nm)或UV光谱的特定部分(例如，200nm-400nm)。每个通道可以选择性地对以特定波长为中心的UV光谱的相应窄部分敏感。优选地，通道在整个UV光谱(即10nm-400nm)或UV光谱的特定部分上平均分布，其中通道的窗口具有基本均匀的宽度。例如，每个通道可以在1-10nm(例如，5nm)的范围内具有大约相同的半峰全宽(full width half maximum，FWHM)。

尽管每个通道选择性地对UV范围内的相应窄窗口敏感，但是这些通道可以共同覆盖UV光谱的整个连续部分，例如200nm-400nm，该连续部分包括光谱的中间UV(200nm-300nm)区域和近UV(300nm-400nm)区域。例如，在一些情况下，传感器包括四十个通道，每个通道选择性地对大约5nm(FWHM)的相应范围敏感。优选地，每个通道的FWHM内的UV光谱部分不与被其他专用UV通道覆盖的UV光谱部分重叠(或仅轻微重叠)。因此，例如，第一通道可以选择性地对200-205nm范围内的波长敏感，第二通道可以选择性地对205-210nm范围内的波长敏感，第三通道可以选择性地对210-215nm范围内的波长敏感，等等。在这个示例中，第四十通道将选择性地对395-400nm范围内的波长敏感。因此，每个相应的通道选择性地对以相应波长为中心的不同窄范围敏感，其中通道具有彼此大致相同的FWHM，并且使得通道共同覆盖UV范围的连续部分。在一些实施方式中，通道的数量、通道共同覆盖的UV光谱的总范围和/或每个通道的FWHM可以不同于前述示例。

每个通道20可以结合相应的UV敏感光电二极管。在图3所示的示例中，每个通道20包含专用的UV感测设备，该设备具有UV光电二极管结构30和专用的UV型滤光器32。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)具有强的光响应(photo-response)，并且在光谱的可见光和IR部分具有降低的光响应。

每个通道还包括光学滤光器，例如带通滤光器或UV干涉滤光器，其具有为特定通道定义的透射特性。因此，例如，用于第一通道的滤光器可以选择性地使200-205nm范围内的波长通过，用于第二通道的滤光器可以选择性地使205-210nm范围内的波长通过，用于第三通道的滤光器可以选择性地使210-215nm范围内的波长通过，等等。在一些情况下，每个特定药物检测通道20中的光电二极管30针对由该通道的滤光器32定义的频带内的各种波长随着时间的推移对感测到的UV辐射进行积分。

辐射屏蔽22可以设置在辐射源12和传感器18之间，以防止由源12发射的辐射直接照射到传感器18的通道20上。优选地，屏蔽22由对UV辐射不反射和不透射的材料构成。模块10可以包含在黑暗的非反射室28中，该室将传感器18与外部寄生辐射隔离。

如图2进一步所示，除了UV敏感通道20之外，传感器18可以包括附加通道，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内的UV辐射通过。例如，在一些情况下，畅通UV通道可以选择性地使由窄UV敏感通道20覆盖的所有波长(例如，200-400nm)通过。因此，UV畅通通道24能够操作以测量样本14在预定UV范围内的总UV响应。此外，传感器18可以包括UV阻挡通道26，其使非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测量样本14看到的带外辐射。

各种化学物质(例如，药物)固有地对UV光源12具有独特的光谱响应。传感器模块10可以使用来自通道20的输出信号来辨别样本14中存在的药物或其他化学物质的类型。

如图2的示例中进一步所示，传感器模块10可以包括模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)34以测量由每个通道20、24、26中的光电二极管30生成的光电流。输出响应然后被传输到信号处理电路36，用于信号处理和数据分析，以便识别样本14中是否存在一种或多种预定化学物质中的任何一种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中的化学物质。在一些情况下，传感器18可以并行地(即，同时地)对UV通道20中的信号积分，并且可以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相匹配或一致的响应度。一种或多种化学物质的光谱特征可以存储在例如存储器35中。通过将通道20的组合输出信号与存储在存储器35中的光谱特征进行比较，信号处理电路36可以确定样本14的化学物质和与来自通道20的信号相关联的光谱特征之间是否存在匹配，如果存在匹配，则识别检测到的化学物质。在一些情况下，信号处理电路36还可以确定检测到的化学物质的量。

由UV畅通通道24和UV阻挡通道26生成的信号可以用作例如参考信号。例如，来自UV阻挡通道26的信号可以被信号处理电路36处理和使用以归一化从UV通道20获得的信号。同样，来自UV畅通通道24的信号可以被信号处理电路36处理和使用以提高信噪比。来自UV畅通通道24和UV阻挡通道26的信号也可以用于通过检测和考虑背景辐射来改进整个信号采集过程。

在一些实施方式中，模块10包括耦合到温度控制器38的晶粒上(on-die)温度传感器，以提供每个通道20中的UV光电二极管30的依赖于温度的泄漏电流补偿。结合温度控制器38可以有助于来自前端ADC 34的温度-漂移偏移校正，该温度-漂移偏移校正是由来自模拟前端的一般晶体管泄漏和光电二极管泄漏引起的。温度控制器38也可以被结合作为信号处理电路36的一部分。

信号处理电路36可以被实施为例如电子控制单元(electronic control unit，ECU)。在一些情况下，处理电路36可以包括软件和/或固件。信号处理电路36的输出可以耦合到例如监视器或其他显示单元，以指示样本14的化学物质和与任何一个通道20相关联的光谱特征之间是否存在匹配，如果存在匹配，则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，适合于在传感器18的通道20中使用的光电二极管结构30包括在半导体基板内具有相反类型的导电性的两个阱(尤其是两个离子注入阱)的叠加。半导体基板具有第一类型的导电性，而第一阱具有第二类型，第二阱具有第一类型。通过调整阱的掺杂浓度或分布，在半导体基板的主表面处形成具有第二类型的导电性的光子捕获层。形成在光子捕获层和第二阱之间的p-n结可用于检测入射的UV辐射。光电二极管结构30可以例如在半导体晶圆或半导体晶粒中实施和/或可以是集成电路的一部分。

如图3的示例所示，UV光电二极管结构30包括半导体基板S，该半导体基板S包括半导体材料(例如硅)，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，其布置在半导体基板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布置在例如第一阱W1内并且具有第一类型的导电性。因此，第一p-n结PN1由半导体基板S和第一阱W1之间的边界形成，第二p-n结PN2由第一阱W1和第二阱W2之间的边界形成。有利的是，这种光电二极管结构主要对UV辐射敏感，并且对可见光或红外辐射的灵敏度降低。

在半导体基板S的主表面MS处的表面区域内，第一阱W1的掺杂浓度(尤其是载流子浓度)大于第二阱W2的掺杂浓度(尤其是载流子浓度)。因此，在主表面MS处，尤其是在表面区域中，形成具有第二类型的导电性的光子捕获层PC。因此，检测p-n结PND由第二阱W2和光子捕获层PC之间的边界形成。在该示例中，不对应于光子捕获层PC的第二阱W2的一部分被表示为第二阱W2，既不对应于第二阱W2也不对应于光子捕获层PC的第一阱W1的一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包括在半导体基板内的具有第二类型的导电性的接触区域CR，用于接触光子捕获层PC。光电二极管结构30还包括第一感测端子T1，该第一感测端子T1例如经由接触区域CR连接到光子捕获层PC。此外，光电二极管结构30可以包括连接到半导体基板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连接到半导体基板S和第一阱W1，并且光电二极管设备包括连接到第二阱W2的另一参考端子。

图3的传感器设备的光电二极管结构30由第一阱W1和第二阱W2以及所得的光子捕获层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的耗尽区内生成的光电流可以例如经由第一感测端子T1读出或测量。

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辐射感测设备。

图4示出了根据本公开的方法。该方法包括将样本14放置在能够操作用于检测化学物质的集成传感器模块中(100)，以及将来自UV辐射源12的UV辐射发射到样本上(102)。该方法还包括在模块的UV通道20中的每一个中接收由样本反射的UV辐射(104)，其中通道包括如上所述的传感器18的辐射敏感区域上方的相应滤光器32。在一些情况下，该方法包括并行地对每个UV通道中的信号积分。该方法包括将来自每个UV通道的相应积分信号提供给信号处理电路36(106)，以及至少部分基于来自UV通道的相应积分信号来确定响应度是否与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特定化学物质的光谱特征匹配或一致可以包括例如将来自UV通道的信号组合与存储在存储器35中的预定值进行比较。在一些情况下，该方法包括至少部分基于比较来识别样本的构成(110)。

如上所述，通道20能够共同操作以检测整个UV范围或至少UV范围的连续部分(例如，200nm-400nm)上的辐射。因此，通过在存储器25中存储许多不同化学物质的光谱特征，可以相对于相对较宽范围的化学物质来测试样本14。

尽管在许多情况下，通道20能够共同操作以检测整个UV范围或至少UV范围的连续部分上的辐射是有利的，但是在一些实施方式中，通道的覆盖不必是连续的。而是，更一般地说，应该有在UV范围内具有充足带宽的足够通道来重建样本14的光谱曲线。图5中示出了示例，其示出了多个窄带宽通道202(通道_01)、204(通道_02)、206(通道_3)，……208(通道_k)…210(通道_n)…212(通道_最后)。图6示出了特定样本14的通道响应的概念性示例，其中响应相对于检测器材料(例如硅)的响应度被归一化。图7示出了通道响应的示例以及与理论样本曲线214的比较。将重建的光谱曲线与存储在数据库中的样本曲线进行比较有助于将光谱响应与特定化学物质相匹配以及提供指示样本14中化学物质数量的信息。

本说明书中描述的主题和功能操作的各个方面可以在数字电子电路中实现，或者在计算机软件、固件或硬件中实施，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者在它们中的一个或多个的组合中实施。本说明书中描述的主题的实施例可以实现为一个或多个计算机程序产品，即，编码在计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、实现机器可读传播信号的物质组合，或者它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理装置”和“计算机”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保持其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。计算机程序可以被部署为在一台计算机上或位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。这些过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。

举例来说，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和一个或多个用于存储指令和数据的存储器设备。通常，计算机还将包括或可操作地耦合以从用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)接收数据或向其传输数据或两者。然而，计算机不需要有这样的设备。此外，计算机可以嵌入到另一设备中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器等。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移除盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或结合在专用逻辑电路中。

在本公开的精神内可以进行各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种包括用于检测化学物质的集成传感器模块的装置，所述传感器模块包括：

UV辐射源，能够操作以将UV辐射发射到样本上；和

传感器，包括多个专用通道，所述专用通道被设置成接收由所述样本反射的所述UV辐射，其中每个所述通道选择性地对UV光谱的不同相应部分敏感，并且其中所述通道共同覆盖足以重建所述样本的光谱曲线的所述UV光谱的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述通道共同覆盖所述UV光谱的连续部分。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述通道在所述UV光谱的所述连续部分上平均分布。

4.根据权利要求2-3中任一项所述的装置，其中所述UV光谱的所述连续部分是10nm-400nm。

5.根据权利要求2-3中任一项所述的装置，其中所述UV光谱的所述连续部分是200nm-400nm。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的装置，其中每个所述通道具有相同的半峰全宽光谱灵敏度。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述半峰全宽不超过10nm。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述半峰全宽不超过5nm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中每个所述通道包括相应的感测设备和设置在所述相应的感测设备的UV辐射敏感部分上方的相应的UV滤光器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括电子控制单元，所述电子控制单元能够操作以至少部分地基于来自所述通道的相应信号来确定所述通道的总响应度是否与特定化学物质的光谱特征一致。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述电子控制单元能够操作以将所述通道的总响应度与存储在存储器中的预定值进行比较。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电子控制单元能够操作以至少部分地基于所述比较来识别所述样本的构成。

13.一种方法，包括：

向样本发射UV辐射；

在多个专用通道中的至少一些中感测由所述样本反射的UV辐射，其中每个所述通道选择性地对UV光谱的不同相应部分敏感，并且其中所述通道共同覆盖足以重建所述样本的光谱曲线的所述UV光谱的至少一部分；

在电子控制单元中接收来自所述多个通道的输出信号；以及

基于所述输出信号识别所述样本的构成。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述通道共同覆盖所述UV光谱的连续部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述通道在所述UV光谱的所述连续部分上平均分布。

16.根据权利要求14-15中任一项所述的方法，其中所述UV光谱的所述连续部分是10nm-400nm。

17.根据权利要求14-15中任一项所述的方法，其中所述UV光谱的所述连续部分是200nm-400nm。

18.根据权利要求13-17中任一项所述的方法，其中每个所述通道具有相同的半峰全宽光谱灵敏度。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述半峰全宽不超过10nm。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述半峰全宽不超过5nm。

21.根据权利要求13-20中任一项所述的方法，其中识别所述构成包括确定所述通道的总响应度是否与特定化学物质的光谱特征一致。

22.根据权利要求21所述的方法，其中识别所述构成包括将所述通道的总响应度与存储在存储器中的预定值进行比较。

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