傳感新品

【新加坡國(guó)立大學(xué): 開(kāi)發(fā)多功能超寬帶、多波長(zhǎng)壓縮成像傳感器】

為了尋求一種能夠適應(yīng)多種波長(zhǎng)同時(shí)保持高分辨率的一體化成像傳感器，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼教授團(tuán)隊(duì)提出了一種普適性強(qiáng)的名為“隨機(jī)光致發(fā)光和壓縮編碼”（SPACE）的成像技術(shù)。通過(guò)使用SPACE，開(kāi)發(fā)了一種多功能超寬帶、多波長(zhǎng)壓縮成像傳感器。

研究亮點(diǎn)

開(kāi)創(chuàng)了基于多種鑭系摻雜換能器的隨機(jī)光致發(fā)光與壓縮編碼方案（SPACE），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)X射線、紫外、近紅外I區(qū)和近紅外II區(qū)的多波長(zhǎng)成像。

SPACE將多個(gè)場(chǎng)景創(chuàng)新性地編碼到單個(gè)圖像，后續(xù)使用壓縮感知算法重建多個(gè)場(chǎng)景圖像。

波長(zhǎng)通道可以通過(guò)簡(jiǎn)單地控制材料層的數(shù)量和厚度被擴(kuò)展。

SPACE最終實(shí)現(xiàn)了生物組織的多深度可視化和多能譜X射線成像。

研究簡(jiǎn)介

多波長(zhǎng)、多通道、多深度成像技術(shù)徹底改變了科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的精確三維重建和全面綜合信息獲取。這些技術(shù)可捕獲不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)目標(biāo)物體的獨(dú)特特征，以及通過(guò)將不同波長(zhǎng)的光照射物體不同部分，實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集物體的多部位圖像。當(dāng)前的多波長(zhǎng)成像方案包括：激發(fā)波長(zhǎng)和濾光片的順序切換，這使圖像采集速度受限而無(wú)法同時(shí)觀察物體不同部位之間的協(xié)同信息。

其他方案包括使用商用的多通道系統(tǒng)、衍射光學(xué)元件、超表面或多光譜濾光片來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的分束，往往會(huì)增加系統(tǒng)尺寸、復(fù)雜性和成本。因此，盡管光學(xué)成像和色散系統(tǒng)各自取得了快速進(jìn)步，但它們的直接組合導(dǎo)致了繁瑣的設(shè)置，阻礙了多波長(zhǎng)和多通道成像的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。此外，大多數(shù)現(xiàn)有方法僅限于可見(jiàn)光波段，實(shí)現(xiàn)跨越近紅外（I區(qū)和II區(qū)）、可見(jiàn)光、紫外和X射線的多波長(zhǎng)成像系統(tǒng)仍然超出了傳統(tǒng)光學(xué)元件的能力范圍。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，為了尋求一種能夠適應(yīng)多種波長(zhǎng)同時(shí)保持高分辨率的一體化成像傳感器，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼教授團(tuán)隊(duì)提出了一種普適性強(qiáng)的名為“隨機(jī)光致發(fā)光和壓縮編碼”（SPACE）的成像技術(shù)。通過(guò)使用SPACE，開(kāi)發(fā)了一種多功能超寬帶、多波長(zhǎng)壓縮成像傳感器。

具體地，SPACE將光致發(fā)光材料加工成稀疏隨機(jī)陣列，然后結(jié)合壓縮傳感成像策略來(lái)重建完整圖像。作者利用具有易于調(diào)節(jié)的窄激發(fā)和發(fā)射帶、大斯托克斯/反斯托克斯位移以及出色的光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性的鑭系元素?fù)Q能器，作為從X射線到近紅外光的多波長(zhǎng)成像的波長(zhǎng)選擇組件。作為概念證明，四種稀土摻雜發(fā)光材料被選擇，每種材料可將包括UV(375nm)、近紅外I區(qū)(808 nm)、近紅外II區(qū)(1532 nm)和X射線(0.089nm)轉(zhuǎn)換為可由常見(jiàn)硅基傳感器檢測(cè)到的可見(jiàn)光。這些換能器以隨機(jī)且互補(bǔ)的方式排列，并與濾光膜結(jié)合以消除激發(fā)光，然后與商用CCD集成，構(gòu)建成多波長(zhǎng)編碼成像傳感器。每個(gè)隨機(jī)排列的換能器陣列對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)通道圖像進(jìn)行欠采樣，并將其特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光范圍。最后使用壓縮感知重建算法從欠采樣圖像中恢復(fù)結(jié)構(gòu)信息。這個(gè)概念大大降低了對(duì)相機(jī)的分辨率要求，同時(shí)擴(kuò)大了成像傳感器的波長(zhǎng)覆蓋范圍。為了提高重建性能和速度，端到端機(jī)器學(xué)習(xí)算法被使用。

利用設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基于SPACE的多波長(zhǎng)成像傳感器，使用單色CCD足以同時(shí)重建用四種不同波長(zhǎng)標(biāo)記的四幅圖像。當(dāng)與彩色RGB CCD結(jié)合使用時(shí)，通過(guò)利用具有不同發(fā)射波長(zhǎng)的鑭系元素?fù)Q能器可以實(shí)現(xiàn)多層、多波長(zhǎng)編碼成像傳感器，理論上將波長(zhǎng)通道數(shù)量增加三倍。進(jìn)一步，作者開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)用不同波長(zhǎng)的光照射樣品的不同部分來(lái)進(jìn)行多深度成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用三種波長(zhǎng)的光來(lái)捕獲樣本內(nèi)不同深度的圖像，同時(shí)使用X射線來(lái)獲取內(nèi)部圖像。在對(duì)蜻蜓的翅膀和軀干進(jìn)行成像時(shí)，不同波長(zhǎng)的光可以聚焦并放大不同深度的結(jié)構(gòu)。然而，軀干仍然無(wú)法透光。對(duì)比之下X射線可以看到軀干內(nèi)部，但透明的翅膀結(jié)構(gòu)由于吸收對(duì)比度不足而缺乏清晰的成像。因此，四個(gè)波長(zhǎng)圖像的結(jié)合可對(duì)物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合全面的采集和讀取。此外，通過(guò)控制閃爍體層的厚度，SPACE被證明可以捕獲多個(gè)波長(zhǎng)或能級(jí)的高能輻射。這是由于閃爍體的光電吸收系數(shù)隨著X射線能量的增加而急劇下降。因此，KeV能量的射線和MeV射線的衰減厚度不同，分別在亞毫米和厘米級(jí)別。因此，作者設(shè)計(jì)了包括0.2 mm和2.5 mm兩種厚度的隨機(jī)像素陣列，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)keV和MeV能量的X射線圖像的同時(shí)采集。

SPACE為克服現(xiàn)有多波長(zhǎng)成像技術(shù)的限制提供了一種解決方案。這種方法降低了對(duì)相機(jī)分辨率的要求，并簡(jiǎn)化了電子后處理。光學(xué)編碼器和壓縮傳感的結(jié)合不僅允許使用更少的像素進(jìn)行成像，而且還可以降低光子計(jì)數(shù)、提高吞吐量和減少延遲。SPACE方法也適用于各種多通道成像技術(shù)，如多壽命、多偏振和多相位成像，在生物醫(yī)學(xué)成像、食品和農(nóng)業(yè)、材料科學(xué)、地質(zhì)和采礦勘探等領(lǐng)域有著重要的潛在用途。

圖1 .基于SPACE的多波長(zhǎng)成像傳感器的設(shè)計(jì)和成像原理。

圖2. 使用四種隨機(jī)打印的鑭系元素?fù)Q能器對(duì)四個(gè)波長(zhǎng)標(biāo)記的場(chǎng)景同時(shí)成像。

圖3. 多層光學(xué)編碼器可將波長(zhǎng)通道擴(kuò)展3倍。

圖4. 多深度成像和X射線多能譜成像驗(yàn)證。

傳感動(dòng)態(tài)

【艾邁斯歐司朗正式面向全球開(kāi)放多項(xiàng)目晶圓(MPW)服務(wù)】

即日起，艾邁斯歐司朗誠(chéng)摯邀請(qǐng)各大芯片設(shè)計(jì)公司體驗(yàn)艾邁斯歐司朗的集成電路（IC）代工服務(wù)，進(jìn)行IC原型設(shè)計(jì)，共享晶圓制造服務(wù)。該服務(wù)也被稱為多項(xiàng)目晶圓（MPW）/晶圓共享，可以享受共享晶圓制造帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)及其他優(yōu)勢(shì)。

艾邁斯歐司朗MPW服務(wù)提供180 nm和0.35 μm全范圍的專業(yè)工藝，包括最近推出的180 nm CMOS技術(shù)（“C18”）。2024年的服務(wù)計(jì)劃表已公布。

多項(xiàng)目晶圓服務(wù)將不同客戶的多種設(shè)計(jì)需求集成到單片晶圓設(shè)計(jì)上。由于晶圓和掩膜的成本由各個(gè)多項(xiàng)目晶圓客戶均攤，因此該服務(wù)可有效降低艾邁斯歐司朗代工廠客戶的成本。

該項(xiàng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)得益于全球合作伙伴的支持，其中包括CIME-P（前身為CMP）和Fraunhofer IIS（通過(guò)EUROPRACTICE歐共體計(jì)劃）。亞太地區(qū)和中國(guó)區(qū)的客戶也可以通過(guò)當(dāng)?shù)豈PW項(xiàng)目的合作伙伴MEDs Technologies使用該服務(wù)。

【倪光南院士：在CPU芯片領(lǐng)域，中國(guó)將迎來(lái)新型服務(wù)器的發(fā)展機(jī)遇】

“中國(guó)是世界最大的數(shù)據(jù)大國(guó)，對(duì)服務(wù)器有重大需求?！?月14日，中國(guó)工程院院士倪光南在2024玄鐵RISC-V生態(tài)大會(huì)上表示，隨著AGI（通用人工智能）的發(fā)展，中國(guó)AI算力中心建設(shè)正在蓬勃興起，基于RISC-V架構(gòu)的DSA新型服務(wù)器有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)x86服務(wù)器的替代。

RISC-V是一種新興指令集，因其開(kāi)源、開(kāi)放、簡(jiǎn)潔、靈活等特性，在當(dāng)下的芯片產(chǎn)業(yè)周期中發(fā)展迅速。據(jù)悉，RISC-V由圖靈獎(jiǎng)得主大衛(wèi)·帕特森教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，并于2010年宣布對(duì)外開(kāi)源。因其可拓展性，適合智能硬件的發(fā)展需求，而對(duì)芯片設(shè)計(jì)廠商而言，也大幅降低了芯片設(shè)計(jì)的周期、成本。

業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年，RISC-V采用率將以40%年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2030年RISC-V架構(gòu)芯片有望突破160億顆。據(jù)統(tǒng)計(jì)，RISC-V基金已有高通、英偉達(dá)和谷歌等超過(guò)4000名成員。目前，中國(guó)有數(shù)百家公司在關(guān)注或以RISC-V指令集進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在RISC-V International 25個(gè)高級(jí)會(huì)員中，12家為中國(guó)企業(yè)，包括阿里巴巴、騰訊等。

為此，倪光南預(yù)測(cè)，在CPU芯片領(lǐng)域，未來(lái)將形成英特爾（x86）、Arm、RISC-V三分天下的格局。他認(rèn)為，近幾年中國(guó)服務(wù)器市場(chǎng)上非x86 服務(wù)器的份額僅在10%左右，基于RISC-V架構(gòu)的新型服務(wù)器將替代傳統(tǒng)的x86服務(wù)器，“融合RISC-V、擴(kuò)展指令集、Chiplet（小芯片組）等技術(shù)，發(fā)展新型服務(wù)器是中國(guó)的一個(gè)機(jī)遇。”

硅谷芯片設(shè)計(jì)“大佬”吉姆·凱勒也表示，“未來(lái)會(huì)迎來(lái)前所未見(jiàn)的AI軟件應(yīng)用，而RISC-V有望打造出下一代的AI引擎”。

在會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院軟件研究所發(fā)布基于RISC-V架構(gòu)的開(kāi)源筆記本電腦“如意BOOK”，首次打通了從底層芯片到操作系統(tǒng)到商用軟件的RISC-V全鏈路。達(dá)摩院院長(zhǎng)張建鋒則表示，今年下半年，第一款基于RISC-V與安卓開(kāi)發(fā)的終端設(shè)備也將問(wèn)世。

【科普|生物傳感器】

01原理

首先生物傳感器的組成包含抗體、抗原、蛋白質(zhì)、DNA或者酶等生物活性材料，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)入傳感器后，這些生物活性材料與待測(cè)物進(jìn)行分子識(shí)別，然后發(fā)生生物反應(yīng)并產(chǎn)生信息，這些信息進(jìn)一步被化學(xué)換能器或者物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)化為聲、光、電等信號(hào)，儀器將信號(hào)輸出，我們就能夠得到待測(cè)物質(zhì)的濃度。

02分類

1. 按照其傳感器中所采用的生命物質(zhì)分類，可分為：微生物傳感器、、組織傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等。

2. 按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、、光學(xué)生物傳感器、酶電極生物傳感器等。

03運(yùn)用

1. 食品：用于監(jiān)測(cè)合成生物食品和發(fā)酵食品所受的微生物污染，如內(nèi)毒素污染。

2. 醫(yī)學(xué)：酶?jìng)鞲衅饔糜谂R床上測(cè)定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬酰胺等生化指標(biāo)，基因傳感器是主要用于結(jié)核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測(cè)。

3. 環(huán)境：在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，其應(yīng)用主要涉及水源、土壤和空氣等方面。水源監(jiān)測(cè)中酶?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)水中的酸堿度、氮、磷等離子體含量，而細(xì)胞傳感器則可檢測(cè)水中的細(xì)菌和病毒等微生物；土壤監(jiān)測(cè)中抗體傳感器可用于監(jiān)測(cè)土壤重金屬含量；大氣監(jiān)測(cè)中生物傳感技術(shù)不僅被用在測(cè)定大氣中的 CO2、NOx、SO2等的含量及濃度，還被用在監(jiān)測(cè)甲醛等直接影響到我們的居住環(huán)境的氣體污染物上。

04前景

自1962年它被發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了豐富多樣的生物傳感器類型，卻沒(méi)有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。其原因在于，它的較難批量生產(chǎn)。生物傳感器是多學(xué)科綜合交叉的一門技術(shù)，主要的發(fā)展趨勢(shì)是多功能化、微型化、智能化、集成化。未來(lái)生物傳感器的研究工作將主要圍繞大規(guī)模的應(yīng)用在實(shí)際中而努力，最終逐步市場(chǎng)化和商品化。相信不用多久，新一代高靈敏度、低成本、高穩(wěn)定性等眾多優(yōu)勢(shì)的生物傳感器將在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，將發(fā)揮更大的作用。

審核編輯 黃宇