從地球上提取天然氣或通過管道輸送天然氣的過程可以將甲烷釋放到大氣中。甲烷是天然氣的主要組成部分惭适，它是一種溫室氣體笙瑟，其變暖的潛力大約是二氧化碳的25倍，使其在捕獲大氣熱能方面非常有效癞志。一個(gè)新的基于芯片的甲烷光譜儀往枷，比一角硬幣還小，有一天可以更容易地監(jiān)控大面積的效率和泄漏凄杯。

來自紐約的科學(xué)家們開發(fā)出了新的甲烷光譜儀错洁，它比今天的標(biāo)準(zhǔn)光譜儀要小戒突，而且制造更經(jīng)濟(jì)墓臭，它能探測到濃度低至百萬分之一的甲烷妖谴。

低維護(hù)、高影響

該光譜儀是基于硅光子學(xué)技術(shù)膝舅，這意味著它是一種由硅材料制成的光學(xué)器件，用于制造計(jì)算機(jī)芯片仍稀。因?yàn)橛糜谟?jì)算機(jī)芯片的大批量生產(chǎn)方法可以用于制造基于芯片的甲烷分光計(jì)洼滚，因此技潘，如果大批量生產(chǎn)的話，光譜儀連同外殼和電池或太陽能發(fā)電源的成本可能低至幾百美元享幽。

IBM研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人威廉·格林說:“相比于今天市面上的數(shù)以萬計(jì)的商用甲烷探測光學(xué)傳感器的成本，批量制造將轉(zhuǎn)化為芯片分光儀的一個(gè)重要的價(jià)值主張值桩。”“而且，由于沒有運(yùn)動(dòng)部件携栋，也沒有精確的溫度控制的基本要求，這種傳感器可以在幾乎沒有維護(hù)的情況下運(yùn)行多年婉支。”

這種低成本向挖，強(qiáng)大的光譜儀可以帶來令人興奮的新應(yīng)用。例如户誓，IBM團(tuán)隊(duì)正在與石油和天然氣行業(yè)的合作伙伴合作，開展一個(gè)項(xiàng)目帝美，該項(xiàng)目將使用光譜儀來檢測甲烷泄漏，從而節(jié)省公司使用面對面檢查成千上萬的人員查找和修復(fù)泄漏的時(shí)間和金錢悼潭。

格林說:“在天然氣開采和分配過程中，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)舰褪，甲烷會(huì)泄漏到空氣中，閥門會(huì)被卡住占拍，或者管道有裂縫略就』尉疲”例如，我們正在開發(fā)一種方法贝次，利用這種光譜-芯片來制造一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以在一個(gè)井墊上分布蛔翅。這些傳感器的數(shù)據(jù)將用IBM的物理分析軟件進(jìn)行處理，以自動(dòng)定位泄漏的位置山析，并量化泄漏量堰燎。

甲烷是一種微量氣體盖腿，它的分類只占地球大氣體積的不到1%。盡管研究人員證實(shí)了甲烷的檢測翩腐，但同樣的方法也可以用來感知其他個(gè)體痕量氣體的存在。它也可以用來同時(shí)探測多種氣體茂卦。

“我們的長期愿景是將這些類型的傳感器融入到人們每天使用的家庭和日常用品中，比如手機(jī)或汽車等龙。”他們可能對檢測污染蛛砰、危險(xiǎn)的一氧化碳水平或其他感興趣的分子很有用罐栈∧喑“因?yàn)檫@個(gè)光譜儀提供了一個(gè)多物種檢測的平臺(tái)，也有一天可以通過呼吸分析來進(jìn)行健康監(jiān)測位仁。”

縮小光譜儀

這種新裝置采用了一種叫做吸收光譜法的方法聂抢，它要求激光在被測量的分子中唯一吸收的波長。在傳統(tǒng)的吸收光譜中琳疏，激光穿過空氣，或自由空間空盼，直到到達(dá)探測器為止疮薇。測量到達(dá)探測器的光我注，就能顯示出在空氣中分子吸收了多少光，并可以用來計(jì)算它們的濃度但骨。

新系統(tǒng)采用了類似的方法，而不是自由空間的設(shè)置奔缠，激光通過一個(gè)狹窄的硅波導(dǎo)，在一個(gè)直徑16平方毫米的芯片上有一個(gè)10厘米長的蛇形圖案校哎。一些光被困在波導(dǎo)里瞳步，約25%的光從硅外擴(kuò)展到周圍的空氣中，在那里它可以與通過附近傳感器波導(dǎo)的微量氣體分子相互作用单起。研究人員使用近紅外激光(1650納米波長)來檢測甲烷。

為了提高器件的靈敏度嘀倒，研究人員仔細(xì)測量并控制了導(dǎo)致噪聲和假吸收信號的因素，對光譜儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行了微調(diào)测蘑，并確定波導(dǎo)幾何參數(shù)，從而產(chǎn)生良好的結(jié)果康二。為了將新的光譜儀的性能與標(biāo)準(zhǔn)的自由空間光譜儀的性能進(jìn)行比較，他們將這些設(shè)備放入一個(gè)環(huán)境室沫勿，并釋放了控制濃度的甲烷。研究人員發(fā)現(xiàn)藕帜，與自由空間設(shè)計(jì)相比，以芯片為基礎(chǔ)的光譜儀提供的精確度與自由空間傳感器的精確度不相上下洽故，盡管與空氣的互動(dòng)減少了75%。此外时甚，通過測量甲烷濃度最小可識(shí)別的變化，芯片傳感器的基本靈敏度被量化荒适，顯示出與在其他實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的自由空間光譜儀類似的性能。

研究人員說刀诬，“盡管硅光子學(xué)系統(tǒng)——尤其是那些使用感應(yīng)折射率變化——以前一直在探索,我們工作的創(chuàng)新之處是使用這種類型的系統(tǒng)探測非常微弱的吸收信號”

該光譜儀目前的版本要求光通過光纖進(jìn)入和退出芯片。然而陕壹，研究人員正在努力將光源和探測器整合到芯片上，這將創(chuàng)造出一種基本的電子設(shè)備糠馆，不需要光纖連接。與目前的自由空間傳感器不同又碌，芯片不需要特殊的樣品或光學(xué)制劑绊袋。明年铸鹰，他們計(jì)劃開始實(shí)地測試光譜儀癌别，將其放入一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)中掉奄，包括其他現(xiàn)成的傳感器凤薛。

格林說:“我們的研究表明姓建，硅光子學(xué)制造缤苫、包裝和組件設(shè)計(jì)的所有知識(shí)都可以被引入光學(xué)傳感器空間，制造高容量的制造活玲，在原理上，低成本傳感器舒憾，最終為這項(xiàng)技術(shù)提供一套全新的應(yīng)用程序《朴兀”

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