【技术创新】基于芯片的微型甲烷分光计可以帮助减少温室气体排放

2017年10月31日

这幅艺术效果图描绘了新型硅光子吸收光谱仪，它的体积比1枚10美分硬币（dime）还小，可以采用大批量计算机芯片制造技术进行生产。基于波导外突出的红外光部分被甲烷分子吸收，可以获取甲烷浓度的光谱值。

　　从地球上开采天然气或通过管道输送天然气的过程中可以将甲烷释放到大气中。甲烷是天然气的主要组成部分，它是一种温室气体，其增温潜力大约是二氧化碳的25倍，使其在捕获大气热能方面非常有效。一个基于芯片的，比1枚10美分硬币（dime）还小的新型甲烷光谱仪，也许有一天可以更容易地对广大区域甲烷泄漏进行有效监测。

　　来自美国纽约州Yorktown Heights的IBM Thomas J . Watson研究中心的科学家们开发出了新型甲烷光谱仪，它比今天的标准光谱仪体积要小，而且制造成本更为经济。在光学学会高影响力研究期刊《Optica》中，研究人员详细介绍了这一新的光谱仪，并展示它能探测到低至百万分之一浓度的甲烷值。

低维护成本、高影响

　　该光谱仪基于硅光电技术，这意味着它是一种由硅材料制成的光学器件，是用于制造计算机芯片的材料。因为用于计算机芯片的大批量生产方法可以用于制造芯片型甲烷分光计，因此，如果大批量生产的话，一个芯片型甲烷分光计，连同外壳和一个电池或太阳能电源的成本可能只有几百美元。

　　该IBM研究团队负责人William Green指出，相对于今天市面上价格为数万美元的商用甲烷探测光学传感器，批量制造将可能赋予芯片分光仪重要价值。此外，由于没有移动部件，也没有精确温度控制的基本要求，这种传感器可以在几乎不需要维护的情况下运行多年。

　　这种低成本、可靠的分光计会带来许多有趣的新应用。例如，IBM团队正在与石油和天然气行业合作伙伴进行合作，在一个项目中，将使用这种光谱仪来探测甲烷泄漏，从而为公司节省大量的时间和金钱成本，这些公司目前通过员工在数千个站点进行泄漏发现和修复检测。

　　Green表示，在天然气开采和分送过程中，当开采井设备出现故障时、阀门被卡住或出现管道裂缝时，甲烷会泄漏到空气中。例如，他们正在开发一种方法，利用这种光谱芯片制造一个传感器网络，可以安置于一个开采井垫上。这些传感器的数据将用IBM物理分析软件进行处理，自动定位泄漏位置，量化泄漏量。

　　甲烷是一种微量气体，只占地球大气总量不到1%。研究人员验证了甲烷的检测，同样方法也可以用于测定其他个别微量气体的存在。它也可以用来同时探测多种气体。

　　该研究团队成员之一Eric Zhang指出，他们的长期目标是将这些类型的传感器融入到人们每天使用的家庭和日常用品，比如：手机或汽车。此光谱仪可能对污染检测、一氧化碳的危险水平或其他相关微粒监测有用。因为这个光谱仪提供了一个多类型气体的检测平台，也许某一天可以通过呼吸分析进行健康监测。

光谱仪新系统

　　这种新装置采用了一种叫做吸收光谱的光谱学方法，它要求通过专一吸收某一波长激光的微粒进行测量。在传统的吸收光谱装置中，激光穿过空气或自由空间，直到探测器为止。测量到达探测器的光，就能显示出在空气中被测颗粒吸收了多少光，可以用来计算它们的浓度。

　　新系统采用了类似的方法，取代了自由空间设置，激光通过一个狭窄的硅波导，在一个直径为16平方毫米的芯片上形成一个10厘米长的蛇形图案。

　　一些光被困在波导里，约25%的光从硅外扩展到周围空气中，在那里它可以与通过附近传感器波导的微量气体颗粒相互作用。研究人员使用近红外激光（1650纳米波长）对甲烷进行监测。

　　为了提高仪器的灵敏度，研究人员仔细测量并控制了导致噪声和假吸收信号的因素，对光谱仪的设计进行了微调，并确定波导几何参数，从而产生良好结果。

并排比较

　　为了将新型光谱仪性能与标准自由空间光谱仪性能进行比较，他们将这两种仪器放入一个环境室，并释放了控制浓度的甲烷。

　　研究人员发现，与自由空间设计相比（尽管与空气的互动减少了75%），以芯片为基础的光谱仪提供的精确度与自由空间传感器的精确度不相上下。

　　此外，通过测量甲烷浓度最小可识别的变化，量化芯片传感器的基本灵敏度，显示出与其他实验室开发的自由空间光谱仪类似的性能。

　　Eric Zhang指出，尽管硅光电系统——尤其是那些使用感应折射率变化的感应，已经在前阶段进行了探索，他们研究工作的创新之处是使用这种类型的系统对从微量甲烷浓度中获取的非常微弱的吸收信号和他们的噪音全面分析和其传感器芯片最小检测限制进行检测。

　　该光谱仪目前的版本要求光通过光纤进行芯片接入和输出。然而，研究人员正在努力将光源和探测器整合到芯片上，这将创造出一种不需要光纤连接的电子仪器。与目前的自由空间传感器不同，芯片不需要专门取样或光学制剂。明年，他们计划开始实地测试光谱仪，将其放入一个包括其他现成的传感器在内的更大网络中。

　　Green表示，他们的研究表明，硅光电制造、包装和组件设计的所有知识都可以被引入光学传感器空间，进行大批量制造。大体上说，通过低成本传感器，最终实现这项技术的一套全新应用。

　　原文题目：Tiny chip-based methane spectrometer could help reduce greenhouse gas emissions

　　资料来源：http://www.terradaily.com/reports/Tiny_chip_based_methane_spectrometer_could_help_reduce_greenhouse_gas_emissions_999.html

　　（王化编译，殷永元审核）