不可視を可視にする新しい微小センサ

January, 27, 2022, Eindhoven--スマートフォンに収容可能な微小NIRセンサは,ミルクやプラスチックの化学物質含有量を分析できる｡

TU/e研究グループは､新しい近赤外(NIR)センサを開発した｡これは､簡単に作れ､サイズはスマートフォン内のセンサに匹敵し､産業プロセスモニタリング､農業に直ぐに使える｡このブレイクスルーは､Nature Communicationsに発表された｡

人の目は素晴らしいが､最も先進的な自然の光センサとは言い難い｡｢シャコ類の目は､16の異なるタイプの細胞を持ち､これらはUV光､可視､近赤外(NIR)光に感度がある｡赤外スペクトルの計測は､産業および農業アプリケーションには最も興味深いが､一つの大きな問題がある｡現在のNIR分光計は､大きすぎ､高価である｣とKaylee Hakkelは説明している｡

研究チームは､小さなチップに収まるNIRセンサを開発することでこの問題を解決した｡シャコ類の目のように､それは16の異なるセンサを持つが､全ての近赤外に感度がある｡｢コストを低く抑えながら､そのセンサを微小化することが大きな課題だった｡われわれは､これを達成するために新しいウエファスケール製造プロセスを開発した｣｡

｢われわれは,多数のセンサを同時に作製できるので､それはローコストである｡また､実世界の実用的なアプリケーションで直ぐに利用できる状態にある｡センサチップは小さく､将来のスマートフォンにさえ内蔵可能である｣(Hakkel)｡

スペクトルセンシング
Eindhoven Hendrik Casimir Institute,応用物理学部､研究リーダー､Andrea Fioreは､チームの研究について､｢われわわれは､長年､この技術に取り組んできた｡われわれは､そのスペクトルセンサをチップに集積することに成功している｡併せて､他の重要問題､データの効率的利用にも取り組んでいる｣とコメントしている｡

通常､センサが光を計測するとき､生成された信号は,その材料の光スペクトル､つまり光フィンガープリントの再構成に使われる｡次に､センシングアルゴリズムを使用して､そのデータを分析する｡

この新しいアプローチで研究者は､スペクトル再構成というステップが不要であることを示している｡言い換えると､そのセンサが生成する信号を､直接分析アルゴリズムに送ることができる｡｢これは､デバイスの設計要件を大幅に簡素化する｣とFioreはコメントしている｡

牛乳とプラスチックの分析
センサを手に研究チームは､論文の筆頭著者の一人､Maurangelo Petruzzellaが説明したような多くの実験で､そのセンサをテストした｡同氏は､スタートアップ､MantiSpectra社で働いている｡｢われわれは､そのセンサを使って､牛乳を含む多くの材料の栄養価を計測した｡われわれのセンサは､従来の分光計と同様､牛乳の脂肪含量の予測で同等の精度だった｡さらにわれわれは,様々な種類のプラスチックの分類にそのセンサを使った｣｡

牛乳の栄養価は､その経済価値を決める､またそのセンサは､これらの特性を正確に計測することが証明されている｡さらに､これらの計測を使って,牛の健康をモニタできる｡そのセンサを使ったプラスチックタイプの分類は､廃棄物選別の最適化に役立つ｡

｢これらのアプリケーション以外に､そのセンサが個人化ヘルスケア､精密農業(例えば､果物や野菜の成熟度をモニタリング)､プセスコントロル､lab-on-a-chipテストに使えるとわれわれは見ている｡現在､この技術に基づいた完全な開発キット､SpectraPodが利用できる｡企業や研究機関は､独自のアプリケーションを開発するために､それを使える｡また､すばらしいことは､このセンサが､未来のスマートフォンでさえ当たり前になり､人々は､家庭でそれを使って食品の品質を調べ､健康状態をチェックできる｣とPetruzzellaは､付け加えている｡
(詳細は､https://www.tue.nl/)