微机电系统(MEMS)[3]---食物处理分析

食物和饮料成份分析是工业处理领域的一个重要部分。为了安全和分级，安装在生产线上的光谱仪器用来执行这个总是如此昂贵而麻烦的步骤。但是现在，MEMS（微机电系统）经改进并简化了光谱法，使之在工业生产中的成本效益比更高。
去年，Polychromix推出了其可编程式数字变换光谱仪(DTS)。借助于MEMS衍射光栅光束原理，这种低成本的近红外(NIR)光谱仪正推动着食物处理领域的革命。(如图1)
最初Polychromix是在国防高级研究计划局的资助下，出于化工用途而开发这一仪器的。由Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院开展的研究最终促成了DTS的开发问世。这支工程团队由MEMS的先驱麻省理工学院高级教授Stephen Senturia领导(Senturia同时还是Polychromix的创始人、总工程师和董事长)。
生乳的成分分析，如脂肪、固态非脂肪、蛋白质等等，是一项典型的饮料分析。一些近红外生乳分析光谱仪采用的是交换式近红外光谱学技术，例如检测阵列。一般来说，这些要花费多达40000美元，而Polychromix的DTS系统的花费只在7199到10999美元之间。

其它光谱仪经常采用的是一个昂贵的二极管阵列，而DTS所用的是一个低成本的单极管阵列和一个可编程式光学调制器(如图2)。它能够分析不同的奶类，不管其来源如何。测量探针和安装在生产线上的DTS相连。有设备监控奶的流动，而奶成分的分析则由电脑来完成。(如图3)


DTS的工作原理
DTS 的数千个独立移动的衍射光束提供了一个全编程式光学转换功能(如图4)。这些光束的移动距离不到1mm。由于没有移动部分，DTS不受杂散光的影响。其 USB接口支持功率和通信，同时还带有一个“我的仪器”界面，从而可以通过标准的软件包来进行工作。其界面软件有几种运行模式，可以通过软件来选择和控制。

其单色模式允许选择一个滤波通带或在整个光谱范围区扫描单个通带。由于带有非色散红外线(NDIR)模式，因此无法选择一个通带过滤器的顺序，这就相当于一个NDIR过滤器轮。
在化学计量模式中，用户可以采用独立像素模拟控制来执行最适合的多波偏最小二乘加权，此时输出和特定种类的集中是成比例的。而数字转换模式则利用衍射光栅方法的可编程性来执行50%吞吐量的编码方案。
DTS芯片尺寸只有105×85×145mm，功耗低于750 mW。它的其它可运用领域包括农业、在线程序控制、取证、医药、航空以及材料厚度层数测量等。

作者：Roger Allan