KI-gesteuertes ultraschnelles Spektrometer-on-a-Chip: Eine Revolution in der Echtzeit-Sensorik
Innovation lässt ein Laborspektrometer auf die Größe eines Sandkorns schrumpfen
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Jahrzehntelang waren große, teure Laborgeräte, so genannte Spektrometer, erforderlich, um die chemische Zusammensetzung von Materialien sichtbar zu machen, sei es zur Diagnose einer Krankheit, zur Bewertung der Lebensmittelqualität oder zur Analyse der Umweltverschmutzung. Diese Geräte nehmen Licht auf, streuen es mit Hilfe eines Prismas oder Gitters in einen Regenbogen und messen die Intensität der einzelnen Farben. Das Problem ist, dass die Streuung des Lichts einen langen physischen Weg erfordert, was das Gerät von Natur aus sperrig macht.
Dieser Miniatursensor, der auf einer Fingerspitze sitzt, ersetzt sperrige Laborgeräte, indem er mit Hilfe von Nanostrukturen auf der Oberfläche, die Photonen einfangen, und künstlicher Intelligenz (KI) Krankheiten genau analysiert, die Qualität von Lebensmitteln prüft und Umweltverschmutzungen mit Hilfe von sichtbarem und Nahinfrarotlicht erkennt.
Image courtesy of the Integrated Nanodevices & Nanosystems Research Lab at UC Davis.
Eine aktuelle Studie der University of California Davis (UC Davis), über die in der Zeitschrift Advanced Photonics berichtet wird, befasst sich mit der Herausforderung der Miniaturisierung und zielt darauf ab, ein Laborspektrometer auf die Größe eines Sandkorns zu verkleinern, ein winziges Spektrometer auf einem Chip, das in tragbare Geräte integriert werden kann. Der traditionelle Ansatz der räumlichen Streuung des Lichts wird zugunsten einer rekonstruktiven Methode aufgegeben. Anstatt jede Farbe physisch zu trennen, verwendet der neue Chip nur 16 verschiedene Siliziumdetektoren, von denen jeder so konstruiert ist, dass er auf das einfallende Licht leicht unterschiedlich reagiert. Das ist so, als würde man einer Handvoll spezialisierter Sensoren ein gemischtes Getränk geben, wobei jeder Sensor einen anderen Aspekt des Getränks erfasst. Der Schlüssel zum Entschlüsseln des Originalrezepts ist der zweite Teil der Erfindung: die künstliche Intelligenz (KI).
Der Kern dieser Innovation liegt in zwei technologischen Durchbrüchen. Erstens hat das Team die Oberflächen von Standard-Silizium-Photodioden mit speziellen Oberflächenstrukturen für den Photoneneinfang (PTSTs) versehen. Silizium eignet sich in der Regel gut für die Erfassung von sichtbarem Licht, ist aber notorisch schlecht bei der Erfassung von Licht im nahen Infrarot (NIR) (Wellenlängen bis 1100 nm), das für viele Anwendungen, wie z. B. die biomedizinische Bildgebung, von entscheidender Bedeutung ist, da es das menschliche Gewebe tiefer durchdringt als sichtbares Licht. Die PTST-Oberfläche wirkt wie eine ausgeklügelte Textur, die NIR-Photonen dazu zwingt, innerhalb der dünnen Siliziumschicht zu streuen, anstatt sie direkt zu durchdringen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Silizium Licht absorbiert, drastisch erhöht, so dass der gesamte Chip über einen breiten Spektralbereich hinweg empfindlich ist.
Über die einfache Farberkennung hinaus setzt die Architektur Hochgeschwindigkeitssensoren ein, die eine inhärente, ultraschnelle Fähigkeit zur Messung der Photonenlebensdauer bieten. Diese zeitliche Präzision ermöglicht es dem Gerät, flüchtige Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erfassen, die für herkömmliche Instrumente unsichtbar sind.
Zweitens verwendet der Chip ein leistungsfähiges, vollständig vernetztes neuronales Netzwerk (KI). Da die 16 einzigartigen Detektoren nur kodierte, verrauschte Signale erfassen, wird die KI an Tausenden von Beispielen trainiert, um die komplexe, verborgene Beziehung zwischen den Rohdaten der Detektoren und dem ursprünglichen, reinen Lichtspektrum zu erlernen. Die KI löst dieses "inverse Problem" und rekonstruiert das Lichtspektrum mit hoher Genauigkeit (etwa 8 nm Auflösung). Durch diese Berechnungsmethode entfällt die Notwendigkeit einer sperrigen Optik vollständig.
Das Endergebnis ist ein System mit einer minimalen Grundfläche (0,4 mm²), hoher Empfindlichkeit und starker Rauschresistenz. Der KI-erweiterte Chip kann die Klarheit des Signals sogar in Gegenwart erheblicher elektrischer Störungen aufrechterhalten - eine große Herausforderung für tragbare, kostengünstige Elektronik. Durch die Erweiterung des Erfassungsbereichs von Silizium in das wichtige NIR-Spektrum bei gleichzeitiger Ermöglichung einer hohen Leistung durch maschinelles Lernen eröffnet diese Technologie einen Weg für eine wirklich integrierte hyperspektrale Erfassung in Echtzeit für Anwendungen, die von fortschrittlicher medizinischer Diagnostik bis hin zur Fernerkundung der Umwelt reichen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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