一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法与流程

1.本发明涉及传感器领域，具体涉及一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法。


背景技术：

2.光谱学广泛用于学术研究、医疗实践和工业环境中，用于分析物质的化学成分和组成。通过获取各类物质与不同能量(波长)的光之间的相互作用模式，可以实时、无创地分析光谱响应或化学指纹。光谱分析技术种类繁多，主要因波长覆盖范围和光学设计的不同而不同，但很少可供消费者级光谱应用的方案。消费级应用的主要限制是缺乏可靠、微型和经济高效的光谱分析解决方案，尤其是以紧凑型传感器的形式。近年来，随着芯片组技术的发展，越来越多的微型和低成本光谱传感器被报道。然而，大多数解决方案都是基于硅基半导体的微机电加工系统(mems)技术。硅的性质限制了其对uv-vis-swnir区域(200-1000nm)的光子响应，从而限制了其分析的动态灵敏度。在红外区使用gaas和inp的阵列传感器解决方案也被报道，但是对于消费级应用来说，成本相对过高。一般来说，为了获得可靠的光谱分析结果，需要获得尽可能宽的波长覆盖范围，并尽可能去除环境噪声。特别地，在面向消费者提供完整的解决方案之前，需要解决三个主要问题：1.一种高度紧凑的集成芯片组，允许广泛的波长覆盖范围，从而在uv-vis-ir区域提供有效的光谱响应；2.一种微型内置控制系统，可为消费类电子设备应用提供合适的小型传感器尺寸；3.一种稳定的信号生成/处理机制，提供可靠、稳定的光谱信号，消除环境噪声，同时允许从调制发射器中检测到光谱信号。
3.光谱仪或光谱传感器产生具有不同能量(波长)的光，让光与感兴趣的物质相互作用，并在相互作用后检测不同光(即能量)的响应，产生一系列光谱数据。不同物质的光谱可以通过可视化、对比或使用算法去处理和分析，以获得符合个人需求的分析结果。传统的光谱仪由三个主要部件组成：光源、分光单元和检测单元。这三个单元都组装在一个具有精确位置的光学几何结构中。光学几何结构通常很复杂，占据了很大的体积，由于使用了各种复杂的光学元件，使得传统光谱仪的尺寸很大，成本很高。为了缩小光谱传感器的尺寸和降低成本，人们对光谱传感器进行了许多创新。mems技术已被应用于减小光学几何尺寸，然而，基于硅的基板将其敏感波长范围限制在1000nm以下。量子点和纳米棒/线材料已被用于修改硅基光子阵列，取代传统的分光单元(光栅或干涉滤光片)，但微型传感器芯片组仍然受到硅材料波长(300-1000nm)覆盖范围的限制。ingaas光子转换器已与mems技术集成，以提供中近红外覆盖，但光栅和光学布局的使用仍然使解决方案成本高昂。一种有希望的方法是利用专门设计的发光材料(即产生有限能量范围的发射器)提供光分化，这也可以减少复杂光学布局的麻烦。由于可用材料的限制，这种方法通常仅限于几个波长通道和较窄的波长覆盖范围。
4.有机发光二极管(通常称为oled)利用有机发光材料，在两侧通电时从有机发光层(eml)产生发射光。它通常用于制造显示器，提供低能耗和可靠的色彩再现性。oled材料的
优点是发射光谱稳定、带宽窄、能耗低，是微型光谱传感器的理想材料。更重要的是，有机分子结构可以通过添加或去除化学基团轻松修改其性质，从而可以微调发射光谱以满足需求。例如，在结构中添加更多的芳香环通常会导致发射红移(到更长的波长)，从而使可调谐发射和更好的光敏分辨率成为可能。
5.通过提供多个稳定光源和通过减少环境噪声来提供具有准确结果的光谱感测来解决现有问题。与传统的汞/卤素光源相比，电脉冲调制的led和oled提供了更好的发射均匀性和再现性。更重要的是，数字调制光源可以编程到不同的频域，通过傅里叶变换信号过滤去除环境噪声，并允许同时从多个光源采集数据。通过重构算法，将经过数字调制的光获取的信号重构为全光谱，为各种不同的应用做好了准备。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法，传感器既覆盖了硅检测(200-1000nm)的uv-vis-swnir区域，也覆盖了ingaas检测(900-1700nm)的swnir中近红外区域，其数字调制发射允许快速去除环境噪声，本发明可广泛应用于各种日常场景中，为终端用户的生活提供便利和益处。
7.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种全波长范围光谱传感器，包括支持四个功能区的镀金绝缘基板，其包括第一功能区、第二功能区、第三功能区以及第四功能区，其中，第一功能区包括多个紫外发射器，发射波长范围约为200nm-400nm；第二功能区包括多个可见发射器，发射波长范围约为400nm-800nm，第三功能区包括多个近红外发射器，发射波长范围约为800nm1700nm)，第四功能区包括第一检测窗口和第二检测窗口，其中第一检测窗口包括一个或多个cmos检测器，用于检测约200950nm范围内的波长，第二检测窗口包括一个或多个ingaas检测器，用于检测约950-1700nm范围内的波长；
8.波长范围约200nm-1700nm的阻挡壁，由第一、第二和第三功能区限定，该阻挡壁包围第四功能区；
9.uv-nir透明玻璃，覆盖第一、第二、第三和第四功能区，并充满惰性气体的内部空间；
10.还包括用于控制发光/检测的微电路。
11.作为优选的技术方案，所述绝缘基板为陶瓷基板，所述陶瓷基板为氮化铝基板。
12.作为优选的技术方案，所述第一功能区设置在基板的顶部区域，第二功能区设置在第一功能区下方且在基板的左半边，第三功能区设置在基板的底部区域，第一功能区下方且位于基板的右半边，其中光检测区位于基板的中央位置。
13.作为优选的技术方案，所述第一功能区、第二功能区和第三功能区中的每一个分别包括多个隔间。
14.作为优选的技术方案，所述第一功能区包括4至16个隔间，或者不少于4个隔间，每个隔间包括多个紫外发射器中的一个或多个。
15.作为优选的技术方案，所述第一功能区具有八个单独的隔间，紫外发射器用于在操作期间支持大电流的金属氧化物材料。
16.作为优选的技术方案，所述多个紫外发射器包括8个发射器，所述发射器包括250nm、260nm、270nm、280nm、365nm、375nm、383nm和393nm的发射中心，每个发射中心
±
6nm。
17.作为优选的技术方案，所述第二功能区包括8-20个隔间，或者不少于8个隔间，每个隔间包括多个可见发射器中的一个或多个。
18.作为优选的技术方案，可见光发射器采用有机发光材料。
19.作为优选的技术方案，：所述第二功能区具有十二个隔间。
20.作为优选的技术方案，多个可见光发射器包括布置在十二个隔间内的十六个发射器，八个为所述多个可见光发射器中的一个的单层布局，并且八个为所述多个可见发射器中的两个的双层布局，可见发射器包括450nm、460nm、515nm、525nm、560nm、570nm、602nm、612nm、625nm、635nm、662nm、672nm、695nm、705nm、798nm和808nm的发射中心，每个
±
6nm。
21.作为优选的技术方案，所述第三功能区包括4至16个隔间，或者不少于10个隔间，每个隔间包括所述多个nir发射器中的一个或多个，所述nir发射器采用有机发光材料，第三功能区具有十个隔间，每个隔间包括多个nir发射器中的一个或多个。
22.作为优选的技术方案，多个nir发射器包括布置在所述十个隔间内的二十个发射器，每个隔间包括所述多个发射器中的两个，所述发射器包括为：845nm、855nm、884nm、894nm、928nm、938nm、967nm、977nm、993nm、1003nm、1195nm、1205nm、1291nm、1301nm、1453nm、1463nm、1531nm、1541nm、1643nm和1653nm的发射中心，各
±
6nm。
23.作为优选的技术方案，第四功能区具有第一、第二cmos检测窗口和第一、第二ingaas检测窗口，其中，所述第一cmos检测窗口和第一ingaas检测窗口与信号通道相关联并且第二cmos和第二ingaas检测窗口与参考通道相关联。
24.作为优选的技术方案，所述第一功能区、第二功能区和第三功能区由调光控制器控制以提供时序上的发射序列，其中第四功能区由模拟前端控制器利用正确的窗口在时域中拾取正确的信号，然后将信号传递到主控制器进行进一步处理，然后通过ble或usb传输到互联网/云连接的设备/小工具。
25.作为优选的技术方案，所述多个紫外发射器中的每一个独立地选自半导体、量子点、纳米粒子、纳米棒和纳米线。
26.作为优选的技术方案，所述微电路包括主控制器，用于进行傅里叶变换滤波，对每一个发射光进行数字调制，使其具有特定的频率，其中，经过傅里叶变换后变换，从环境中去除异常频率，从而在反向傅里叶变换后去除输出信号中的噪声。
27.作为优选的技术方案，将返回的离散光谱数据阵列与高斯元素进行拟合，得到最终的光谱输出。
28.本发明的一种进行物质分析的系统，包括光谱传感器、ble或usb连接的移动设备或计算机、用于光谱数据分析/解释的基于云的人工智能，其中光谱传感器可在从200nm到1700nm选择的多个波长上操作。
29.本发明的一种对物质进行光谱分析的方法，包括以下具体步骤：(a)获得传感器芯片，其包括多个led发射器、两个cmos检测器以及在其前表面上的两个ingaas检测器；
30.(b)将传感器的前表面基本面向分析物质；
31.(c)以不同频率同时调制传感器芯片上的一个或多个或多个led发射器；其中调制的led发射器发射波长范围为200-950nm或950-1700nm的光；
32.(d)通过cmos检测器或ingaas检测器检测光谱响应；
33.(e)通过傅里叶滤波分离每个发射器的光谱响应；
34.(f)通过高斯峰值拟合构建基于每个发射器的分离光谱响应的光谱。
35.作为优选的技术方案，还包括通过傅里叶滤波去除环境噪声。
36.作为优选的技术方案，其中步骤(e)和/或(f)在传感器芯片，通过usb或蓝牙连接到传感器的计算机或电话、或通过计算机或电话连接的云中的一个或多个上执行连接到传感器。
37.作为优选的技术方案，其中在步骤(e)和/或(f)中使用人工智能。
38.本发明的有益效果是：为了覆盖从紫外到中近红外的全波长范围，紫外光发射金属氧化物材料，可见光和近红外光发射有机发光材料，以及两个检测窗口(cmos用于约200-950nm，ingaas用于约950-1700nm)集成在镀金陶瓷基板上，例如氮化铝陶瓷基板，在一个实施例中，总共将44种不同的发射器材料应用在一起，覆盖范围约为200nm-1700nm，光谱分辨率约为10-25nm。基板顶部有一个uv-nir透射盖玻片，背面有控制电路，可以通过不同的发光材料在时间序列上对不同波长的光进行数字调制发射。检测窗口获取的信号经过傅里叶变换滤波处理以去除环境噪声，然后重建全光谱。这种高度紧凑的集成传感器可提供快速、稳定和可重复的光谱阵列数据，涵盖从200到1700nm的整个波长范围，该传感器可以为任何光谱传感目的提供微型、高度紧凑和宽波长范围的覆盖范围，这样的传感器可以有利地适用于工业环境和消费电子产品。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1、说明了不同发光材料和探测检测窗口布局的代表性示意图；
41.图2-图3、从俯视图和仰视图看，具有大小、尺寸和功能区布局的典型传感器几何形状；
42.图4、具有不同功能单元的涂层排列的典型传感器横截面图；
43.图5、紫外光发射金属氧化物材料的表示性涂层排列；
44.图6、有机发光材料的表示性涂层排列；
45.图7、以强度-波长顺序示出了所有44个发光单元的发射光谱；
46.图8、说明了控制电路功能流程示意图；
47.图9、说明了去除环境噪声的傅里叶变换滤波过程；
48.图10、显示了从光谱传感器重构全光谱数据的典型示例；
49.图11、给出了一个典型的原型光谱传感器照片。
具体实施方式
50.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
51.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只
是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
52.如图1、图4和图11所示，本发明的一种全波长范围光谱传感器、物质分析的系统及方法，图1示出了不同发光材料窗口和光检测窗口布局的代表性示意图，所有材料均涂覆在具有四个不同功能区的镀金氮化铝陶瓷基板101上，在一些实施例中，基板101是任何适当的绝缘体。在一些实施例中，基板101是陶瓷绝缘体。在一些实施例中，基板101是氮化铝陶瓷绝缘体。第一紫外光发射功能区107包括八种不同的紫外光发射金属氧化物材料，其发射250nm到393nm为中心的光。第二可见光发射功能区108包括16种不同的有机发光材料，其发射以450nm到808nm为中心的光。
53.第三近红外光发射功能区109包括二十种不同的有机发光材料，其发射以845nm到1653nm为中心的光。中心的最后功能区包括cmos检测窗口105和ingaas检测窗口106；最后一个检测区域通过圆形金属墙104与前三个照明区域物理隔离。在氮气环境中，所有功能区均由uv-ir透明玻璃102覆盖、密封和保护，避免空气对氧气和湿度造成损害，从而延长发光时间并提高稳定性。
54.图2和图3是从俯视图和仰视图来看的光谱传感器芯片组的示例性设计和架构。传感器的准确尺寸为11mmx11mm的正方形，功能区的空间为直径为1cm的圆形。芯片组的上三分之一是紫外发光功能区，有八个单独的隔间用于金属氧化物材料涂层，以允许在操作过程中产生大电流。左半部分是可见光发射功能区，有12个用于有机发光材料涂层的金属隔间，包括12个单层涂层和4个双层涂层，总共允许16个发射波长。通常，可以采用单层或双层来改变发射特性。在一些情况下，单层材料a可能与双层材料a具有不同的发射特性例如发射波长中心。在一些实施例中，双层材料可能比单层材料发射更长的波长。在一些情况下，材料a或材料b的单层可具有与包括a层和b层的双层不同的发射特性例如发射波长中心。本领域技术人员通常理解这种可调谐性。右半部分为近红外发光功能区，有10个金属隔间用于红外发光涂层，每个隔间有一半单层和一半双层涂层，共产生20个近红外发射波长。中心是光检测功能区，有四个金属隔间，左两个是用于紫外可见光检测200-950nm的cmos窗口，右两个是用于近红外检测950-1700nm的ingaas窗口。芯片组底部包括30个金属焊盘，用于发光单元的数字信号通信，以及四个金属焊盘，用于检测信号读取。显然，与发射器相关联的芯片组底部的焊盘数量可以对应于uv、可见光和红外发射隔间的总数。同样，与检测器相关联的芯片组底部的焊盘数量可以对应于检测器隔间的总数。一般而言，可以设想将led和探测器功能性连接到传感器的其他电气组件的任何架构。
55.在一个实施例中，uv发射功能区可具有约4至16个功能隔间，或约4至12个功能隔间，或约6至10个功能隔间。在一个实施例中，uv发射功能区可具有约4个、或约5个、或约6个、或约7个、或约8个、或约9个、或约10个、或约11个、或约12个、或约13个，或约14个，或约15个，或约16个功能隔间。在一个实施例中，uv发射功能区具有不少于4个隔间。
56.在一个实施例中，可见光发射功能区可具有约8至20个功能隔间，或约8至16个功能隔间，或约10至14个功能隔间。在一个实施例中，可见光发射功能区可具有约6个、或约7个、或约8个、或约9个、或约10个、或约11个、或约12个、或约13个、或约14个、或约15个或约16个、或约17个、或约18个、或约19个、或约20个功能隔间。在一个实施例中，可见光发射功能区具有不少于8个隔间。
57.在一个实施例中，近红外发射(nir发射)功能区可具有约10至约16个功能隔间，或
约10至约14个功能隔间，或约10至约12个功能隔间。在一个实施例中，近红外发射(nir发射)功能区可具有约10个、或约11个、或约12个、或约13个、或约14个、或约15个、或约16个功能隔间。在一个实施例中，近红外发射(nir发射)功能区具有不少于10个隔间。
58.在一个实施例中，uv发射功能区可具有约4至约16个功能区，可见光发射功能区可具有约8至约20个功能区，nir发射功能区可具有约10个到大约16个功能区。传感器可以具有至少两个检测器，或者可以具有四个检测器。
59.在一个实施例中，uv发射功能区可具有约4至约10个功能区，可见光发射功能区可具有约8至约14个功能区，nir发射功能区可具有约10个到大约12个功能区。传感器可以具有至少两个检测器，或者可以具有四个检测器。
60.发光和检测区域的布局经过专门设计和优化，以产生最高的信噪比和最低的电噪声。优化的布居可以描述为多个紫外发射隔间、多个可见光发射隔间和多个红外发射隔间，也包含多个检测器隔间通常为两个。在一个实施例中，多个紫外发射隔间、多个可见光发射隔间和多个红外发射隔间包围金属或不透明隔离墙，该隔离墙又包围多个检测器。
61.在一些实施实例中，传感器可以通过多个功能区来描述，例如四个功能区。在一个实施例中，传感器包括第一功能区，该功能区包括多个发射波长范围约为200-400nm的紫外发射器，第二功能区包括多个发射波长范围约为400-800nm的可见发射器，第三功能区包括多个发射波长范围约为800-1700nm的近红外nir发射器，第四功能区包括第一和第二检测窗口即cmos和ingaas。术语“功能区”并不一定意味着这些区彼此完全分开，除了包括检测器的第四功能区，其通过不透明或金属墙与前三个功能区隔开。在一些实施例中，前三个功能区彼此明确界定。在另外的实施例中，与某些功能区相关联的隔间可能部分重叠到其他功能区中。通常，具有特定类型发射器例如紫外光、可见光或红外光的隔间被分组以简化和逻辑设计，但是具有未分组布局中的不同类型发射器的实施例将是功能性的，并且在功能区定义的范围内被考虑。
62.在一些实施例中，紫外光发射器即第一功能区比可见光或近红外光发射器即第二和第三功能区中的任何一个产生更大的电流。uv发射器所消耗的电流可能约为80-120ma，或约为100ma，并可称为“大电流”。可见光和/或近红外发射器产生的电流可能约为10-30ma，或约为20ma，可称为“小电流”。考虑各种发射器可能精确的电流消耗会有所不同，传感器可以充分地为必要的或期望的发射器供电。
63.图3从横截面视角说明传感器芯片组的示例性涂层几何形状。底部是具有隔离蚀刻的导电层，以允许对不同区域和金属焊盘301进行选择性导电。在底层上方是一层陶瓷层，该陶瓷层可对电进行高度隔离302，并进行热传导。该陶瓷层内蚀刻有多个孔和环，允许底层托架与上层功能区之间的连接。上面是四个导电区303-306，分别是紫外光发射金属氧化物区307、具有cmos308和ingaas309响应的光检测区304、可见光发射区310，以及近红外发光发射区311。
64.如本文所述的“隔间”是传感器芯片上的位置，其中可以放置led或电气组件并在功能上连接到传感器。通常，“隔间”可以是一个衬垫或通孔，允许根据需要将led或组件连接到传感器的电路。“隔间”可以是平垫，也可以是凸起或凹陷的特征，具有用于沉积一层或多层材料的开口或表面。术语“隔间”并非旨在进行限制，而是考虑了用于沉积led或连接到电气部件的任何适当构造。
65.图5示出了uv发射金属氧化物区的层状结构的细节。有p电极401-403和n电极409，它们都通过一层导电锡404附着在传感器上的金属托架上，起到外部保护的作用。发射能量主要由金属氧化物层406-408确定，其通过顶部的覆盖保护层405提供光发射。在所描绘的实施例中，层406对应于第一金属氧化物材料层，层407对应于具有第一和第二金属氧化物材料混合物的中间层，层408对应于第二金属氧化物材料层。在一个实施例中，存在单个金属氧化物层。在另一个实施例中，存在两个或多个金属氧化物层，任选地具有金属氧化物材料混合物的层。在另一个实施例中，存在1-5个金属氧化物层。多个uv发射器托架中的每一个可以独立地具有任何适当的金属氧化物发射器的不同数量的金属氧化物层。或者，如本领域技术人员所理解的，可以使用非金属氧化物的紫外光发射器。
66.可见光和近红外有机发光区的分层结构的细节如图6所示。顶层为透明导电阳极501，底层为金属导电阴极507。在它们之间是由有机发光材料层504分隔的n型层502，503和p型层505，506。该层中所用分子的类型和化学结构决定了涂层窗口的发射能量/波长，从而形成了从可见光到中近红外400-1700nm的一系列不同发射窗口。
67.所有发光功能区的示例性全光谱如图7所示。共有44个发射峰，中心波长从250nm到1653nm不等。由于每个峰的宽度为100nm至200nm，因此它们覆盖了200至1700nm的整个波长范围。可以理解，根据本文公开的传感器架构，可以使用任何适当的发射器来实现200到1700nm光谱范围的覆盖。本领域技术人员还将理解，可以通过控制各种制造方面包括层厚度、总体发射极尺寸和其他因素来调节发射特性。
68.任何发射200nm至1700nm范围内的光的发射器都被考虑用于本发明描述。关于紫外发射器，以金属氧化物为例，考虑了二元、三元、四元、掺杂包括金属掺杂、硫掺杂、氮掺杂或任何其他掺杂剂、缺陷诱导包括金属和/或氧空位、复合材料和任何其他金属氧化物。具有适当发射特性的其他半导体可以代替一种或多种金属氧化物。发射器可以作为一种或多种多晶型物存在和/或可以是非晶态。各种半导体材料及其发射特性大致由它们的近似带隙确定是已知的。预期使用的各种紫外发射器的一些非限制性示例是cuo、gan、aln、algan、inalgan、gen、ingen、cr 2 o 3、fe 2 o 3、zno、pbo、bi 2 o 3、tio 2、cu 2 o、zro 2、sno 2、wo 3、srtio 3、sic、batio 3、b 12 as 2、linbo 3、zns，包括其组成变体和不同的氧化态。紫外发射器可以是纳米结构纳米颗粒、层、量子点、纳米线等或使用任何已知技术沉积。可以混合一种或多种发射器。
69.可见光和近红外发射器可以是半导体、无机材料或复合物例如金属螯合物、有机复合物、聚合物或任何已知的发射器。au、pt、pd、ag、cu和ni的复合物或螯合物是合适发射器的非限制性示例。w、ru和ir的氧或二氧络合物或螯合物是合适发射器的进一步非限制性示例。还考虑了多环芳族和杂原子取代的多环芳族的配位络合物其中杂原子通常是n或o，并且在某些情况下是s。例如，萘、蒽、菲、芘、苯并芘和其他多环芳族化合物的配位络合物被考虑，它们各自任选被一个或多个杂原子取代，包括混合配体络合物。多环芳族和杂原子取代的多环芳族络合物可具有1至约10个稠合环，并可在任何位置被一个或多个取代基取代，例如烷基、硝基、卤素、氯、溴、氟、三氟甲基、二氟甲基、胺、羟基和芳基，包括取代的芳基。任何有用的可见光和近红外发射器都被考虑并且不限于具体列举的发射器，并且本段中的任何前述发射器被考虑为“有机发射器”。可见和近红外发射器可以替代的是薄层、量子点、纳米线或无机材料的纳米颗粒，例如aln、algan、inalgan、pbs、pbo、cds、cdo、cuo、cdse或
cuins 2，或者可以是钙钛矿，二维材料或其他材料。考虑了聚合物发射器，例如聚(对亚苯基亚乙烯基)、聚芴、聚(萘亚乙烯基)等的衍生物。
70.本领域的技术人员应该熟悉已知各种发射器材料和制造方法，例如在2020年8月15日《the fundamentals and applications of light-emitting diodes》，elsevier science，第1-284页isbn012819605x，9780128196052；2013年《organic light-emitting diodes(oleds)》，电子与光学材料，伍德海德出版系列，第1-647页isbn978-0-85709-425-4)；2017年10月24日《nitride semiconductor light-emitting diodes(leds)-materials，technologies，and applications》，第2版，伍德海德出版，第1-822页(isbn 9780081019436)；和schubert，f.“light-emitting diodes”，第3版，2018年2月3日，出版商：e.fred schubert，第1-39节(isbn 978-0-9 863826-6-6)和其他地方。
71.图8是电路控制流程图。发光功能区由调光控制器控制，以提供时间序列的发射序列，检测功能区由模拟前端(afe)控制器控制，在时域中拾取正确的信号。然后将信号传递到主控制器进行进一步处理，然后再通过ble或usb传输到互联网/云连接的设备。主控制器主要处理是傅里叶变换滤波，如图8所示。每个发射光都以特定频率进行数字调制，以避免家庭和工业照明的常见频率。例如，10-40和70-90hz等频率的信号可以在50、60、100和120hz等可能的环境噪音中被过滤出来，可以理解，任何有用调制频率可以避免环境噪声。
72.虽然调制发射器输出的一个方面是为了消除噪声，但另一方面是可以通过以不同频率调制多个发射器来同时使用多个发射器。在一个实施例中，1-5个发射器可以同时处于活动状态并在不同的频率调制通道上运行，这些通道可通过傅里叶滤波分离。通常，可以同时激活的发射器的最大数量取决于检测器的饱和度，并且可能会根据具体的检测器、led输出、几何结构等而变化。
73.傅里叶变换后，环境中的异常频率被去除，从而在傅里叶逆变换后的输出信号中去除了噪声。然后将返回的离散光谱数据阵列与高斯元素进行拟合以产生最终的光谱输出，其中一种类型显示在图10中。
74.在一个或多个实施例中，这些传感器系统包括在镀金氮化铝陶瓷基板上物理分离的三个不同发光功能区，对应于高电流紫外发光区、可见光发光区，以及一个近红外发光区。发光功能区围绕或包围多个检测器布置，在一些实施例中为大致圆形的形状，具有不同的封装/涂层结构，具有检测器的检测功能区位于中心。检测功能区由两大部分组成，一是信号通道cmos和参考通道cmos覆盖200-950nm光的检测，二是信号通道ingaas和参考通道ingaas覆盖950-1700nm光的检测。检测功能区通过圆形金属或不透明即对200-1700nm范围内的辐射不透明壁与发光区隔离。整个功能区均由uv-nir透明玻璃覆盖和保护，玻璃还充满纯惰性气体，如氮气，以避免空气中的氧气和湿气，确保更长的使用寿命和更好的稳定性/再现性。不同的发光窗口由数字调制单独控制，频率允许同时检测多个发射器。频率异常的环境噪声也可以通过傅里叶变换从频域中去除，将得到的总光谱数据进行一系列高斯形状拟合，以重建连续的全光谱。
75.在示例性使用方法中，传感器的发射器和检测器基本上朝向分析物、物质或材料，对准定位后，传感器被激活以收集光谱数据。启动可以从电话、计算机、云或通过任何适当的通信协议连接到传感器的任何其他设备中的一个或多个发生，包括例如usb或蓝牙尤其是蓝牙低能量ble。传感器的主控制器和调光控制器根据预先确定的方案为发射器供电。探
测器可连续运行，或可根据发光方案由模拟前端afe供电，以便在其检测波长范围内的发射器发光时，为正确的探测器供电。照明方案包括以不同调制频率同时操作的一个或多个led发射器，使得来自不同发射器的信号可以彼此分离并与环境噪声分离。在主控制器中，通过傅里叶滤波进行分离。或者，可以在另一设备或云中作为后处理来执行过滤。然后可通过高斯拟合来处理光谱数据以产生光谱数据。
76.可以根据需要在连接到传感器的设备中或在云中执行进一步的分析，例如平滑、峰值拟合或识别等。可以实施诸如机器学习或神经网络之类的人工智能(ai)以改进光谱数据的产生和/或光谱数据的分析。
77.本发明的传感器将紫外发光材料(如金属氧化物)、可见-近红外发光材料(如有机物或配合物)以及在uv-vis(cmos)和nir区域(ingaas)响应的光电转换窗口集成在一种具有微控制电路的专门设计的半导体芯片上。该传感器有四个主要组成部分：1.一种镀金氮化铝陶瓷基板框架；2.发射器：一系列紫外波长发光区(200-400nm)，一系列有机发光材料涂层的可见光波长发光区(400-800nm)，一系列有机发光材料涂层的近红外波长发光区(800-1700nm)；3.探测器：用于检测uv-vis区(200-950nm)中光子的互补金属氧化物半导体(cmos)窗口，用于检测nir区(950-1700nm)中光子的砷化铟镓(ingaas)窗口；4.一种具有时序傅里叶变换滤波去除环境噪声的控制发光/检测的微电路，并将信号从调制发射器中分离出来。这种高度紧凑的集成传感器可提供快速、稳定和可重复的光谱阵列数据，涵盖从200到1700nm的整个波长范围。该传感器可以为任何光谱传感用途的场景提供一种微型、高度紧凑和宽波长的范围覆盖。
78.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。