弗劳恩霍夫展示光学化学超声波传感器新进展

德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所（Fraunhofer IPMS）长期致力于提供定制化、面向特定应用的传感器及其系统解决方案，以满足各行业对传感器功能与性能的差异化需求。从概念设计到原型开发，再到实验室和洁净室的试生产，Fraunhofer IPMS提供全流程服务，并融合人工智能（AI）软件，打造“智能”传感系统。本文将详细介绍该机构在2023年SENSOR+TEST贸易博览会上展出的三类传感器最新进展。

光学传感器

Fraunhofer IPMS推出创新的紧凑型及超紧凑型近红外（NIR）光谱分析系统，并在本届展会上首次演示了利用光谱分析技术检测纺织品成分的装置。该技术可贯穿纺织品从购买、护理到回收的整个价值链。

• 应用实例：买家现场即可确认纺织品材质；护理环节通过分析污垢颗粒判断是否需要清洁，并根据颜色、材质推荐洗涤程序；回收时按颜色与材料自动分类。
• 其他领域：食品新鲜度检测、塑料分类、药品原料种类及浓度测定。系统设计高度灵活，可适配不同光谱范围。
• 智能化增强：近红外光谱与RGB成像相结合，配合AI软件，实现材料信息最大程度识别。未来计划拓展至紫外（UV）区域，使霉菌、细菌等污染物“可见”。

小提示：近红外光谱系统可实现无损、快速成分分析，特别适用于质量控制及现场检测等场景。

化学传感器

在化学传感器方面，Fraunhofer IPMS展出了三种核心技术：电化学分析芯片、离子敏感场效应晶体管（ISFET）传感器和离子迁移谱仪（IMS）。

电化学分析芯片

芯片采用金、银或铂微电极，以极小分析量即可完成多种电化学分析。典型应用包括有机半导体材料开发、离线反应控制、体液分析等。

该电化学分析芯片集成了工作电极（WE）、对电极（CE）与参比电极（RE），芯片尺寸仅为5 mm x 5 mm。

ISFET传感器

基于离子敏感场效应晶体管（ISFET），能够检测水溶液中的离子浓度、离子电导率及温度。其突出优势包括：无需传统参比电极即可实现pH测量；可在同一芯片上集成电导率与温度传感器；支持干燥保存并可直接集成于CMOS工艺；通过调整传感层，可灵活改变对特定离子或分子的灵敏度。

离子迁移谱仪（IMS）

用于便携式、快速检测空气中ppm至ppb级浓度的可电离分析物，例如丙酮、甲苯等挥发性有机化合物（VOC），适用于环境监测、食品分析及生物医学诊断。Fraunhofer IPMS开发了模块化组件，可协同合作伙伴开发特定应用产品。该技术不同于市场现有方案，有望实现创新的气体传感解决方案。

左侧为电化学分析芯片的结构示意图，可插入右侧所示的测量适配器并实现接触。

移动设备的小型化使现场测量成为现实，例如用于检测关键位置的有害排放物或辅助医疗诊断。借助微机电系统（MEMS）技术，IMS芯片可实现经济高效的大批量生产，目标是为广泛的应用场景提供移动分析设备。

小提示：IMS无需复杂前处理即可快速检测痕量气体，非常适合需要即时结果的场景，例如工业安全、医疗点检测等。

超声波传感器

Fraunhofer IPMS研发出电容式微机械超声换能器（CMUT），可产生低至MHz频段的超声波。典型应用包括：结合边缘AI的预测性维护、手势识别与控制、距离检测（可替代光学或雷达系统）。

在医疗领域，CMUT传感器已应用于肺活量计演示系统，该系统集成在AI控制的分散式患者监测系统中。先进的CMUT技术为开发功能强大的移动肺活量计提供了关键支撑。

小提示：CMUT相比传统压电换能器，拥有更小的体积、更低的功耗以及更优的阵列可扩展性，特别适用于便携式设备。

常见问题

Q1：如何为我的项目选择合适的Fraunhofer IPMS传感器方案？

A1：建议联系Fraunhofer IPMS技术团队，详细说明应用需求，例如检测目标、精度要求、环境条件、尺寸限制等。团队可根据您的需求，从概念设计到试生产提供定制化服务。举例来说，若需在线监测食品新鲜度，可优先考虑近红外光谱系统；若需检测痕量VOC，则离子迁移谱仪更为适合。

Q2：这些定制传感器与市售标准传感器相比，在成本上有何差异？

A2：定制传感器的初始开发成本通常高于标准传感器，但能提供更精准、更小巧、更高能效的解决方案，从而在特定应用中降低总体拥有成本。对于大规模应用，采用MEMS技术的芯片（如CMUT、ISFET）可通过批量生产降低单价。建议在项目早期进行成本效益评估。

Q3：光学传感器中提到的“近红外光谱与RGB成像结合”具体如何工作？

A3：RGB成像提供颜色信息，近红外光谱提供材料化学成分信息。AI软件融合这两类数据，能更准确地识别材料类型、污渍成分等。例如在纺织品回收中，系统可同时判断颜色和纤维材质（如棉、聚酯），实现精确分类。

Q4：化学传感器中的ISM模块可以用于哪些现场检测？

A4：目前该技术适用于检测空气中可电离的挥发性有机化合物（VOC），如丙酮、甲苯，浓度范围在ppm至ppb级。典型应用场景包括工厂废气泄漏检测、室内空气质量监测、食品腐败气体分析，以及呼吸气体诊断（如糖尿病患者的丙酮标记物检测）。

Q5：超声波传感器中的CMUT肺活量计与传统肺活量计有何优势？

A5：CMUT肺活量计体积小巧、功耗低，适合患者随身携带进行连续监测。结合AI可实现分散式管理，医生可远程获取患者数据，及时发现异常。相比传统热丝式或涡轮式传感器，CMUT无移动部件，寿命更长且无需频繁校准。

Fraunhofer IPMS凭借定制化传感器设计、先进制造工艺以及AI融合，不断推动传感技术创新。无论是工业检测、医疗诊断还是环境监测，其三大传感器系列均能为特定应用提供高效、精准的解决方案。如需进一步了解，可联系Fraunhofer IPMS或关注其后续技术演示。

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