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晶片上拉曼光譜儀問世 開創多元的材料分析應用
 

【作者: 愛美科提供】   2020年10月13日 星期二

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到目前為止,傳統的桌上型拉曼光譜模型仍舊十分龐大且昂貴,雖然市面上有手持型的解決方案,但還是沒辦法滿足性能規格方面的要求,來讓無損材料分析(non-destructive material analysis)的質量和成本獲得大幅提升。但是透過將光波導(waveguide;WG)干涉儀平行化,並將之單晶整合至CMOS影像感測器上,如今就能實現微型化且具備成本效益的手持式光譜儀。


從中世紀畫作到藥物分析

拉曼光譜學在1928年被印度物理學家拉曼(C. V. Raman)發現,這也使得他於1930年獲頒諾貝爾物理獎。該技術可用來辨識與分析像是液體、粉末和固體等材料的組成,透過對材料發射雷射光,並分析散射光子的特定部分—所謂的「拉曼散射」(Raman scatter),就能產生一張光譜。


因為拉曼散射由材料的分子震動而來,其波長與雷射光不同,因此就能被歸納出來。在光譜上,我們可以識別出特定材料與化合物各自的光譜「指紋」(fingerprint)。


拉曼光譜學至今仍用於很多不同領域。事實上,它能用在任何需要無損材料分析的應用上。在藥劑學,它能揭示藥錠內活性化合物的分佈;在地質學,它能根據隕石的礦物組成,將之分成球粒隕石(chondrite)與無球粒隕石(achondrite);在化學,它甚至能探索混成分子的類型。這項技術也用在實務性很高的應用領域,像是半導體研發—它能用來測定電氣特性以及石墨烯的層數,或者將特定層中的應力特徵化;在生命科學,它能分辨細胞與特定藥物之間的交互作用。


最後,它可以協助辨別藝術作品所使用的顏料種類,並揭露藝術家的身分、繪畫技法與作品年齡。順帶一提,你知道在阿爾卑斯山發現的木乃伊冰人奧茨(Alpine Iceman Otzi),他的皮膚曾用拉曼光譜儀進行檢測嗎?


桌上型與手持式裝置的現況

目前提供的拉曼光譜儀種類繁多,專為各式各樣的應用設計。拉曼光譜儀通常會設計成顯微鏡,將繞射極限(diffraction limit)雷射光束照射在樣品上,並從該點以高孔徑值蒐集拉曼光子。有了這些桌上型裝置之後(也是市場主流),過去幾年也出現了手持式版本,對實地研究來說真的很便利,例如像是藝術學研究或人類學。


就像一般的微型化量測設備,手持式拉曼光譜儀並不如桌上型。就研究畫作上的顏料來說,手持式還算堪用,因為這些顏料能產生強烈的拉曼訊號。但是,目前的系統還不足以分析更複雜的樣品,像是不透光液體(例如牛奶)、動植物皮膜或粉末,或是需要很長的量測時間。再者,手持式拉曼光譜儀造價高昂,這也限制了其應用的普及度。


高性能手持裝置的龐大商機

要是有低成本但高性能的手持式拉曼光譜儀,許多新興應用將成為可能。試想在生產過程中進行食品檢驗,或是在一般開業診所篩檢皮膚黑色素瘤,甚至是在供應鏈中鑑別藥物真偽。


在餐飲業,拉曼光譜儀也可作分類之用,拿來辨識並評估各種食品與農產品的真實性、安全性與品質。例如,對食用油摻雜物的鑑定與標示應用,或是飲品酒精濃度的測定應用來說,拉曼光譜學就是理想技術。而要了解牛奶品質優劣,利用拉曼光譜學進行複合成分分析是關鍵,能在動物生產乳汁時,透過測定像是油脂、蛋白質或含水量等因素來進行判斷。


在彩妝業,拉曼光譜儀可用來確認材料的純度,諸如個人保濕乳和精油。此外,它還能測出藥物製劑中剩餘的溶劑濃度,以判斷營養素濃度對維持某個細胞培養的生長來說是否充足。


難以改良現有手持裝置的原因

開發拉曼系統有兩大挑戰:首先,自發的拉曼散射通常訊號極為微弱,因此,拉曼光譜儀最大的挑戰就是把微弱的非彈性散射光與強大的瑞立散射光(Rayleigh scatter)區分開來。


再者,在產生強烈散射的介質中,例如食品或人類細胞組織,入射光子並不會集中在一個小點上,而是產生一個模糊的點,大小可達數毫米。這會增加光展量(etendue或optical throughput)—它是一種測量光發散的空間與角度的計算方法。光譜儀通常會限制光展量,而緊湊型裝置會再降低該數值。


在常用的色散型光譜儀中,光束會集中於狹縫,而其光譜元件會以繞射光柵分隔開來。將光學解析度高(<1nm)的儀器進行微縮就要縮短狹縫寬度,因而降低光展量。



圖一 : 目前的色散型手持光譜儀採用了入射狹縫、鏡面、光柵等設計(如圖所示)。這麼一來,利用入射狹縫的尺寸,光展量會與光學解析度耦合,而光譜儀的微縮化會降低光學解析度與接收光展量。
圖一 : 目前的色散型手持光譜儀採用了入射狹縫、鏡面、光柵等設計(如圖所示)。這麼一來,利用入射狹縫的尺寸,光展量會與光學解析度耦合,而光譜儀的微縮化會降低光學解析度與接收光展量。

透過積體光子學與光波導,就能實現光學裝置的終極微縮化。單模光波導的光展量(這也是採用此方法的最大微縮程度)大概等於波長的平方(λ2)。如果裝置使用的波長為860nm,光展量就會是7.3 x 10-7mm2-sr,這比分析漫散射樣本所需的值還低了106~107倍。



圖二 : 目前基於光子晶體的手持式光譜儀,在微縮化上受限於單模光波導的光展量。
圖二 : 目前基於光子晶體的手持式光譜儀,在微縮化上受限於單模光波導的光展量。

基於矽光子的空間外差光譜儀

由於手持式拉曼光譜儀在現行方法上的限制,其他概念正持續開發中。另一類的光譜儀以光干涉原理為基礎,用於像是傅立葉轉換光譜儀(Fourier Transform spectrometer)或空間外差光譜儀(spatially heterodyne spectroscopy)。這些概念在本質上就具備很大的光展量,因此也比較不會受到微縮影響。


有一種著名的傅立葉轉換光譜儀以麥克森干涉儀(Michelson interferometer)為基礎。把一束光分成兩束,在相遇與干涉前分別行徑在不同路徑上,因此能夠測得其波長之間的些微差距。但這個設計的缺點—尤其是想將裝置微縮化時,就是必須使用兩個鏡面,且其中一個為移動式。


如今,研究人員已開發出基於上述設計的積體光學方案,不需移動元件,那就是「整合式空間外差光譜儀(integrated spatially heterodyne spectrometer)」。它的光展量較不受限,其值為波長平方的n倍(n x λ2),n為干涉儀的數量。如上所述,假設使用的波長為860nm,那麼對成分較複雜的樣本來說,偏好的光展度約為0.5mm2-sr,也就是說大概會需要一百萬個干涉儀。


如此龐大的平行結構運用積體光學就能實現。愛美科開發且已獲得專利的解決方案能將近百萬個干涉儀單晶整合至CMOS影像感測晶片上方,並以微鏡元件(micromirror)發送光。



圖三 : 愛美科研究團隊開發出手持式拉曼光譜儀的專利解決方案,概念是在CMOS影像感測晶片上導入百萬個干涉儀。如此高度整合就能在不犧牲樣本光展度的情況下實現微縮最大化,還能測量成分複雜的樣本。此外,藉由晶片技術,售價還能比現有裝置低得多。
圖三 : 愛美科研究團隊開發出手持式拉曼光譜儀的專利解決方案,概念是在CMOS影像感測晶片上導入百萬個干涉儀。如此高度整合就能在不犧牲樣本光展度的情況下實現微縮最大化,還能測量成分複雜的樣本。此外,藉由晶片技術,售價還能比現有裝置低得多。

創新拉曼光譜儀的運作原理

波長785nm的雷射光集中照射在樣品上,並運用複合拋物面集光器(compound parabolic concentrator;CPC)來蒐集與瞄準散射光子。以波長785nm過濾掉瑞立光子之後,再運用楔形光導與整合在晶片上的微鏡元件,將拉曼光子導向晶片上的光波導端口。透過適當地選擇楔形設計以及入射角度,微鏡元件就能以高出光效率(>50%)重導光線傳輸方向,而利用連至個別單模光波導干涉儀的光柵,微鏡能與光波導耦合。


干涉儀可以測出不同長度,以重構出原有的頻譜,其輸出則與整合式CMOS影像感測器的像素間距對齊,當作高度平行的感測陣列。該感測晶片接線至PCB板,並與一片客製的讀取晶片相連,以擷取資料並傳至運算裝置,該裝置會重建頻譜,並顯示所需的光學特性。


氮化矽是首選的光波導材料

由於CMOS製程對相容性與透光度的要求,氮化矽(SiN)被選為光波導材料。光波導堆疊以單晶整合至前照式CMOS感測器的200mm晶圓後段製程(BEOL)之上;後處理於200mm的CMOS先導產線進行,波導與光柵耦合器的成形則採用193nm的深紫外線(DUV)技術。


此光譜晶片以基於SiN的波導光子學為基礎,並實作於用來讀取電子訊號的CMOS影像感測器(CMOS image sensor;CIS)上方。此晶片在目前的設計中包含了一個大規模平行的漸消耦合式法布里–珀羅(Febry-Perot;F-P)干涉儀陣列,波長範圍為2.2~152.8μm(線性移動量為0.2μm)。利用光柵耦合器(grating based-in coupler;GC),將入射光耦合至光波導結構。斜面金屬耦合輸出鏡則用來將光線自光波導耦合至CIS的讀取像素(並嵌入至晶片的截面,如圖所示)。下圖說明俯視F-P諧振器與光柵耦合器、斜面金屬耦合輸出鏡的佈局。



圖四 : 愛美科光譜晶片的局部佈局。圖中展示了長度為17.6μm的漸消耦合式F-P諧振器,以及光柵耦合器、斜面耦合輸出鏡,將光線耦合至讀取像素。
圖四 : 愛美科光譜晶片的局部佈局。圖中展示了長度為17.6μm的漸消耦合式F-P諧振器,以及光柵耦合器、斜面耦合輸出鏡,將光線耦合至讀取像素。

結語

拉曼光譜儀是可用於諸多應用的強大技術。現有裝置相對龐大(桌上型),且售價高達數十萬美元/歐元。而目前的手持式方案也未能達到預期的性能,以實現高階應用。


多虧有了愛美科的全新概念,如今可以跨越這項性能障礙。透過整合至CMOS影像感測器上方的波導干涉儀的大規模平行結構,就可以在微型裝置上達成優異的光展量與光學解析度。此創新系統建於一套SiN的生醫光電開發平台上,能夠確保量產的穩健性與相容性。


(本文由愛美科授權刊登;作者Harrie Tilmans1、Pol Van Dorpe2為愛美科1MEMS與光子系統領域、2奈米光子與電漿子生物感測領域的研究計畫主持人文;編譯/吳雅婷)


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