РАБОЧАЯ ГОЛОВКА СВЕТОДИОДНОГО МИНИ-СПЕКТРОМЕТРА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель в целом относится к анализаторам состава веществ, и, в частности, к анализаторам для определения химического состава твердых веществ, сыпучих веществ или их комбинации, работающих в спектральном диапазоне 900-2500 нм.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известны различные анализаторы состава веществ. Однако, как правило, они обладают большими размерами, длительным временем работы, высоким энергопотреблением и используют дорогостоящие компоненты.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является анализатор состава жидких и твердых веществ, известный из евразийской заявки на изобретение № 201600067, содержащий оптический блок со светодиодным излучателем, излучающим в спектральном диапазоне 900-2500 нм, и широкополосный фотодиод, принимающий излучение от светодиода после взаимодействия этого излучения с анализируемым веществом. Указанный анализатор способен определять химический состав анализируемого вещества в виде твердого вещества, жидкого вещества или их смеси в широком спектральном диапазоне, имеет малые размеры и низкое энергопотребление.
Однако при определении химического состава твердого вещества указанным анализатором излучение от такого вещества не всегда может быть должным образом получено фотодиодом, поскольку на практике поверхность анализируемого твердого вещества, обращенная к анализатору, часто может характеризоваться неровным краем, например, в случае, когда твердое вещество представляет собой монолитное вещество с неровной поверхностью или немонолитное вещество, составленное из множества твердых частей, которые обеспечивают неровную поверхность. Вследствие указанной неровной поверхности фотодиод может получить не всю информацию об анализируемом твердом веществе, и следовательно, излучение, проходящее после взаимодействия с анализируемым твердым веществом, может не полностью характеризовать данное анализируемое вещество, т.е. другими словами, в него могут быть внесены погрешности или ошибки.
Таким образом, недостатком указанного устройства является возможность внесения погрешностей или ошибок в результат анализа состава твердых веществ, что не позволяет проводить анализ химического состава твердых материалов с достаточной степенью точности.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Настоящая полезная модель направлена на решение указанной проблемы, возникающей при использовании известных устройств, в виде улучшения точности определении химического состава твердых веществ, а именно точности определения химического состава твердых монолитных или немонолитных материалов, а также их комбинаций.
Для решения указанной проблемы предложена рабочая головка светодиодного мини-спектрометра, предназначенного для определения химического состава анализируемого вещества, представляющего собой твердое монолитное или сыпучее вещество или их комбинацию, содержащая корпус головки светодиодного мини-спектрометра, в котором расположен светодиодный излучатель и широкополосный фотодиод, установленные на общей плате. Светодиодный излучатель выполнен с возможностью генерирования излучения в диапазоне 900-2500 нм и направления своего излучения на анализируемое вещество. Широкополосный фотодиод выполнен с возможностью приема излучения от светодиодного излучателя после взаимодействия этого излучения с анализируемым веществом. Светодиодный излучатель содержит по меньшей мере шесть светодиодных чипов, установленные на указанной плате таким образом, что светодиодные чипы установлены по окружности вокруг широкополосного фотодиода. Корпус головки светодиодного мини-спектрометра выполнен в форме полусферы, так что указанный корпус имеет сферическую сторону, внутренняя поверхность которой выполнена зеркальной, и плоскую сторону, а широкополосный фотодиод расположен в фокусе сферической стороны корпуса головки светодиодного мини-спектрометра. Плата, на которой установлены светодиодные чипы и фотодиод, является кольцевой платой, расположенной параллельно плоской стороне корпуса головки светодиодного мини-спектрометра. Светодиодные чипы расположены на кольцевой плате с ее стороны, обращенной к указанной плоской стороне корпуса головки, а широкополосный фотодиод расположен на противоположной стороне кольцевой платы. По меньшей мере четыре светодиодных чипа имеют максимумы спектра излучения на разных длинах волн
Достигаемый технический результат настоящей полезной модели заключается в улучшении точности определения химического состава анализируемого вещества, представляющего собой твердое монолитное или сыпучее вещество или их комбинацию, посредством выполнения корпуса предлагаемой рабочей головки светодиодного мини-спектрометра в форме полусферы, имеющей сферическую сторону, внутренняя поверхность которой выполнена зеркальной, и плоскую сторону, и в которой широкополосный фотодиод расположен в фокусе указанной сферической стороны корпуса.
Благодаря указанной конфигурации корпуса предлагаемой рабочей головки излучение от светодиодного излучателя после его взаимодействия с анализируемым веществом может быть собрано на широкополосном фотодиоде, так что излучение после взаимодействия по существу со всеми всех точками анализируемого твердого вещества на его поверхности, обращенной к корпусу головки светодиодного мини-спектрометра, направляется на широкополосный фотодиод. Таким образом, значительно снижается и устраняется возможность возникновения погрешностей и ошибок при определении химического состава твердого вещества, поскольку при анализе учитывается информации от, по существу, всех точек поверхности анализируемого твердого вещества, обращенной к корпусу головки. Другими словами, расположение фотодиода в фокусе зеркальной сферы гарантирует сбор всего излучения в рабочей головке, генерируемого светодиодным излучателем, на фотодиоде.
Кроме того, благодаря выполнению платы, на которой установлены светодиодные чипы и фотодиод, в виде кольцевой платы, установленной параллельно плоской стороне корпуса головки, так что светодиодные чипы расположены на кольцевой плате с ее стороны, обращенной к указанной плоской стороне корпуса головки, а широкополосный фотодиод расположен на противоположной стороне кольцевой платы, обеспечена оптимальная конфигурация компонентов предлагаемой рабочей головки для обеспечения направления излучения от светодиодных чипов на анализируемое вещество и дальнейшего направления этого излучения после его взаимодействия на фотодиод.
Также благодаря тому, что по меньшей мере четыре светодиодных чипа из по меньшей мере шести светодиодных чипов имеют максимумы спектра излучения на разных длинах волн, обеспечена возможность высокой точности и быстродействия при определении химического состава анализируемого вещества.
Согласно одному варианту реализации настоящей полезной модели кольцевая плата рабочей головки имеет область, выполненную с возможностью прохождения через нее излучения от светодиодных чипов после взаимодействия этого излучения с анализируемым веществом. Предпочтительно, кольцевая плата имеет вырезы, обеспечивающие прохождение через них излучения от светодиодных чипов, а широкополосный фотодиод расположен на площадке, образованной частью кольцевой платы
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели плоская сторона корпуса головки светодиодного мини-спектрометра по меньшей частично выполнена из стекла, прозрачного в диапазоне 900-2500 нм.
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели корпус головки светодиодного мини-спектрометра содержит выступы для крепления в светодиодном мини-спектрометре.
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели широкополосный фотодиод характеризуется красной границей 2500 нм.
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели светодиодные чипы выполнены на основе гетероструктур, имеющих подложку, содержащую GaSb, расположенный над подложкой активный слой, содержащий твердый раствор GalnAsSb, расположенный над активным слоем ограничительный слой для локализации основных носителей, содержащий твердый раствор AlGaAsSb, расположенный над ограничительным слоем контактный слой, содержащий GaSb, и буферный слой, содержащий твердый раствор GaInAsSb.
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели буферный слой геретоструктур расположен между подложкой и активным слоем и содержит индия меньше, чем активный слой.
Согласно еще одному варианту реализации настоящей полезной модели широкополосный фотодиод выполнен на основе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные подложку, содержащую GaSb, активный слой, содержащий GalnAsSb, слои электрического и оптического ограничения, содержащие AlGaAsSb, и контактный слой, содержащий GaSb.
Другие аспекты настоящей полезной модели могут быть понятны из последующего описания предпочтительных вариантов реализации и чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан вид сбоку рабочей головки светодиодного мини-спектрометра согласно первому варианту реализации настоящей полезной модели, на котором схематично показаны внутренние компоненты рабочей головки светодиодного мини-спектрометра.
На фиг. 2 показан вид снизу рабочей головки светодиодного мини-спектрометра, изображенной на фиг. 1, на котором схематично показаны внутренние компоненты рабочей головки светодиодного мини-спектрометра .
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Настоящее описание раскрывает варианты и особенности рабочей головки светодиодного мини-спектрометра для определения химического состава анализируемой пробы в виде твердого вещества, сыпучего вещества или их комбинации. Необходимо отметить, что раскрываемые особенности указанной рабочей головки светодиодного мини-спектрометра в любом варианте реализации могут быть присущи различным вариантам реализации в любой их комбинации, если не указано иначе.
Под анализируемой пробой в настоящем описании полезной модели подразумеваются некоторая часть любых твердых монолитных или сыпучих веществ или их комбинаций, применяемых предпочтительно в сельском хозяйстве, например, но не в качестве ограничения, зерно, комбикорма, торф, сено, отруби и пр., которая позволяет выполнить определение химического состава этих любых твердых монолитных или сыпучих веществ или их комбинаций. Кроме того, в настоящем описании понятие «проба» может также заменяться понятием «анализируемое вещество» и наоборот.
Под монолитным веществом в настоящем описании полезной модели понимается вещество, представляющее собой единый или цельный массив какого-либо вещества, частицы которого сильно связаны друг с другом.
Под сыпучими веществами в настоящем описании понимается совокупность мелких частиц, не сцепленных и не скрепленных друг с другом или частично скрепленных друг с другом, например, такая совокупность мелких частиц также может быть описана как рассыпчатое или порошкообразное вещество. Применительно к настоящей полезной модели таким веществом могут быть, например, семена зерновых культур или семена растений семейства бобовые.
Под рассыпчатыми веществами в настоящем описании понимаются легко рассыпающиеся вещества, частицы которого не связаны или частично связаны между собой. Применительно к настоящей полезной модели таким веществом может быть, например, комбикорм.
Под порошкообразными веществами понимаются вещества, имеющие вид порошка. Применительно к настоящей полезной модели таким веществом могут быть, например, отруби мелкого помола.
Рабочая головка является основным рабочим элементом светодиодного мини-спектрометра для определения химического состава анализируемого вещества, представляющего собой небольшое портативное устройство, работающее в спектральном диапазоне 900-2500 нм на основе методов оптической спектроскопии.
Рабочая головка 100 светодиодного мини-спектрометра для определения химического состава анализируемой пробы согласно первому варианту реализации настоящей полезной модели проиллюстрирована посредством ее вида сбоку на фиг. 1 и видом снизу на фиг.2, на которых схематично показаны внутренние компоненты рабочей головки 100 светодиодного мини-спектрометра. Рабочая головка 100 содержит корпус головки светодиодного мини-спектрометра, в котором на плате 30 установлены светодиодный излучатель, содержащий шесть светодиодных чипов 10 (на чертежах для упрощения обозначен только один светодиодный чип), и широкополосный фотодиод 20. Используемый широкополосный фотодиод 20 имеет красную границу 2500 нм, но возможно использование фотодиодов с отличной красной границей.
Светодиодный излучатель расположен в корпусе головки светодиодного мини-спектрометра и выполнен с возможностью излучения в диапазоне 900-2500 нм. Светодиодный излучатель установлен на плате 30 таким образом, что его излучение направлено на анализируемое вещество в виде пробы, расположенной рядом с плоской стороной 50 корпуса, для взаимодействия этого излучения с пробой, а широкополосный фотодиод 20 установлен с возможностью приема излучения от светодиодного излучателя после взаимодействия этого излучения с пробой на своей чувствительной площадке. Плата 30, на которой установлены светодиодные чипы 10 и фотодиод 20, представляет собой кольцевую плату, установленную параллельно плоской стороне 50 корпуса головки светодиодного мини-спектрометра. Шесть светодиодных чипов 10 установлены на указанной плате 30 на равном расстоянии друг от друга по окружности вокруг широкополосного фотодиода 20, установленного на площадке 25 для фотодиода, представляющей собой участок платы 30. Корпус головки светодиодного мини-спектрометра выполнен в форме полусферы, так что указанный корпус имеет сферическую сторону 40 и плоскую сторону 50, а широкополосный фотодиод 20 расположен в фокусе сферической стороны 40 корпуса головки светодиодного мини-спектрометра.
Плоская сторона 40 корпуса головки светодиодного мини-спектрометра полностью или частично выполнена из стекла, прозрачного в диапазоне 900-2500 нм (сапфир, кварц, BaF2, CaF2) для обеспечения возможности пропускания излучения от светодиодных чипов 10. Светодиодные чипы 10 расположены на кольцевой плате 30 с ее стороны, обращенной к плоской стороне 50, и для работы головки светодиодного мини-спектрометра возле плоской стороне 50 необходимо обеспечить наличие пробы. Широкополосный фотодиод 20 расположен на противоположной стороне кольцевой платы 30. Внутренняя поверхность сферической стороны 40 корпуса головки выполнена зеркальной, а четыре светодиодных чипа из указанных шести светодиодных чипов 10 имеют максимумы спектра излучения на разных длинах волн. Кольцевая плата 30 рабочей головки имеет область, выполненную с возможностью прохождения через нее излучения от светодиодных чипов 10 после взаимодействия этого излучения с пробой, которая образована как вырезы в кольцевой плате 30, так что широкополосный фотодиод 20 расположен на площадке 25, представляющей собой участок платы 30, что проиллюстрировано на фиг. 2. Для специалиста может быть понятно, что указанная область кольцевой платы 30 также может представлять собой прозрачные или полупрозрачные участки, обеспечивающие прохождение через них излучения от светодиодных чипов.
Рабочая головка 100 согласно первому варианту реализации имеет выступы 60 на внешней стороне полусферического корпуса, форма которых позволяет соединять рабочую головку с другими компонентами светодиодного мини-спектрометра. В качестве светодиодного мини-спектрометра может использоваться специальное устройство, и кроме того, например, мобильное устройство, такое как мобильный телефон, смартфон, коммуникатор, карманный компьютер, мобильный компьютер типа “ноутбук” или “нетбук”, или иное вычислительное устройство.
Анализируемая проба при определении ее химического состава рабочей головкой находится вне анализатора рядом с плоской стороной 50 корпуса головки. Таким образом, светодиодные чипы 10 расположены на кольцевой плате 30 с ее стороны, обращенной к анализируемому веществу, а широкополосный фотодиод 20 расположен на противоположной стороне кольцевой платы 30, что обеспечивает оптимальную конфигурация компонентов предлагаемой рабочей головки для обеспечения направления излучения от светодиодных чипов на анализируемое вещество и дальнейшего направления этого излучения после его взаимодействия на фотодиод.
Таким образом, настоящая полезная модель обеспечивает технический результат в виде улучшения точности определения химического состава анализируемого вещества посредством выполнения корпуса рабочей головки светодиодного мини-спектрометра в форме полусферы, имеющей сферическую сторону, внутренняя поверхность которой выполнена зеркальной, и плоскую сторону, и в которой широкополосный фотодиод расположен в фокусе указанной сферической стороны корпуса. Расположение фотодиода в фокусе зеркальной сферы гарантирует сбор всего генерируемого в рабочей головке светодиодными чипами излучения на чувствительную площадку фотодиода.
Необходимо отметить, что для специалиста может быть очевидным использование светодиодных чипов количеством больше шести, и использование светодиодных чипов из числа имеющихся, которые могут иметь максимумы спектра излучения на разных длинах волн, количеством больше четырех.
Например, в одном из вариантов реализации рабочая головка светодиодного мини-спектрометра содержит светодиодный излучатель из 8 светодиодов, излучающих на разных длинах волн (1,3, 1,45, 1,6, 1,7, 1,95, 2,15, 2,25 и 2,35 мкм), и широкополосный фотодиод с красной границей 2400 нм с диаметром чувствительной площадки 2 мм.
В другом возможном варианте реализации рабочая головка светодиодного мини-спектрометра содержит светодиодный излучатель из 12 светодиодов, в котором по меньшей мере 4 светодиодных чипа излучают на разных длинах волн (1,3, 1,45, 1,6, 1,7 мкм), и широкополосный фотодиод с красной границей 2300 нм с диаметром чувствительной площадки 2 мм.
В еще одном возможном варианте реализации рабочая головка светодиодного мини-спектрометра содержит светодиодный излучатель из 24 светодиодов, в котором по меньшей мере 8 светодиодных чипов излучают на разных длинах волн (1,3, 1,45, 1,6, 1,7, 1,95, 2,15, 2,25 и 2,35 мкм), и широкополосный фотодиод с красной границей 2400 нм с диаметром чувствительной площадки 2 мм.
В другом возможном варианте реализации рабочая головка светодиодного мини-спектрометра содержит светодиодный излучатель из 32 светодиодов, в котором по меньшей мере 12 светодиодных чипов излучают на разных длинах волн (1,3, 1,4, 1,45, 1,55, 1,6, 1,7, 1,75, 1,8, 1,95, 2,15, 2,25 и 2,35 мкм), и широкополосный фотодиод с красной границей 2500 нм с диаметром чувствительной площадки 2 мм.
Увеличение количества светодиодов связано с уменьшением погрешности засветки и, следовательно, приводит к более качественному проведению химического анализа состава анализируемого вещества. Все указанные выше варианты реализации рабочей головки светодиодного мини-спектрометра обеспечивают улучшение точности определения химического состава анализируемого вещества.
Мини-спектрометр, в котором может использоваться предлагаемая рабочая головка, может совершать обмен информацией с мобильным устройством или вычислительным устройством любым известным способом, включая в качестве примера универсальную последовательную шину (USB), RS-232, RS-485, WiFi, Bluetooth или любое другое подходящее соединение. Дополнительно или в качестве альтернативы мини-спектрометр, в котором может использоваться предлагаемая рабочая головка, может иметь запоминающее устройство (например, энергонезависимое или энергозависимое запоминающее устройство, такое как флэш-память, ОЗУ, магнитный носитель и т.д.) или может быть выполнено с возможностью записи информации на другой машиночитаемый носитель (например, оптические диски и т.д.).
В некоторых вариантах реализации светодиодные чипы светодиодной матрицы могут быть выполнены на основе гетероструктур, раскрытых в патенте EA 018300 того же заявителя с названием “Гетероструктура на основе твердого раствора GaInAsSb, способ ее изготовления и светодиод на основе этой гетероструктуры”. Указанные гетероструктуры имеют подложку, содержащую GaSb, активный слой, содержащий твердый раствор GaInAsSb и расположенный над подложкой, ограничительный слой для локализации основных носителей, содержащий твердый раствор AlGaAsSb и расположенный над активным слоем, контактный слой, содержащий GaSb и расположенный над ограничительным слоем, и буферный слой, содержащий твердый раствор GaInAsSb. Буферный слой первой гетероструктуры представляет собой низколегированный буферный слой р0 с составом, близким к GaSb, благодаря которому обратно-включенный p-n переход p0-GaInAsSb/n-GaInAsSb обеспечивает локализацию дырок в активной области вблизи гетерограницы между буферным слоем и активным слоем. Кроме того, выращивание структурно-совершенного с минимальной концентрацией примесей и дефектов слоя p0-GaInAsSb позволяет минимизировать влияние дефектов, прорастающих из подложки в активную область, что приводит к уменьшению глубоких акцепторных уровней и, соответственно, доли безызлучательной рекомбинации Шоккли-Рид-Холла. Кроме того, благодаря тому, что гетероструктуру выращивают с низким уровнем легирования буферного слоя р0, т.е. уровнем, близким к собственной концентрации, получают существенное увеличение квантовой эффективности, причём прямое рабочее напряжение такой гетероструктуры увеличивается незначительно, т.е. не в несколько раз, как это имеет место в структурах тиристорного типа. При этом в процессе выращивания буферного слоя согласно настоящей полезной модели не используют свинец в качестве нейтрального растворителя. В некоторых вариантах реализации буферный слой расположен между подложкой и активным слоем и содержит индия меньше, чем активный слой.
В свою очередь, в некоторых вариантах реализации фотодиод выполнен на основе гетероструктуры, технология изготовления которой описана в Евразийском патенте № 018300 «Гетероструктура на основе твёрдого раствора GaInAsSb, способ её изготовления и светодиод на основе этой гетероструктуры» настоящего заявителя. Указанная гетероструктура содержит последовательно расположенные подложку, содержащую GaSb, активный слой, содержащий GaInAsSb, слои электрического и оптического ограничения, содержащие AlGaAsSb, и контактный слой, содержащий GaSb.
При определении химического состава анализируемой пробы с помощью рабочей головки светодиодного мини-спектрометра по любому из указанных вариантов реализации сначала обеспечивают наличие анализируемой пробы рядом с плоской стороной корпуса рабочей головки светодиодного мини-спектрометра, и далее подают импульсы на светодиодные чипы, так что излучение от них взаимодействует с веществом, являющимся компонентом анализируемой пробы, таким как, например, вода, жир, глюкоза, минеральные вещества и проч. (происходит частичное поглощение излучения, интенсивность которого пропорциональна количеству такого вещества, являющегося компонентом анализируемой пробы) и направляется в сторону широкополосного фотодиода, принимающего это излучение и формирующего соответствующие сигналы. Во время подачи импульсов их последовательно подают на отдельные светодиодные чипы со сдвигом во времени. В некоторых вариантах реализации для определения химического состава анализируемой пробы спектр, полученный на основе сигналов, сформированных фотодиодом, и содержащих информацию о поглощении света на данной длине волны, может сравниваться c по меньшей мере одним известным опорным спектром. Кроме того, в некоторых вариантах реализации, дополнительно к определению химического состава анализируемой пробы определяют концентрацию веществ в составе анализируемой пробы.
В некоторых вариантах реализации подача импульсов на светодиодные чипы дополнительно содержит подачу импульсов по меньшей мере на одну пару светодиодных чипов, максимумы спектров излучения которых характеризуются соседними длинами волн, при этом при подаче импульсов на по меньшей мере одну пару светодиодных чипов импульсы подают одновременно на каждый светодиодный чип указанной пары светодиодных чипов таким образом, что каждый светодиодный чип включают с различной мощностью. Предпочтительно, при подаче импульсов на светодиодные чипы импульсы последовательно подают на более чем одну пару светодиодных чипов со сдвигом во времени.
Таким образом, импульсное питание светодиодов позволяет реализовать плавное сканирование исследуемого диапазона 900-2500 нм, поскольку спектральное излучение светодиодных чипов имеет вид гауссовой кривой. Подавая питание одновременно на два соседних по длине волны светодиода можно получить суммарный спектр с максимумом между максимумами отдельных светодиодов. При уменьшении тока малыми шагами на первом светодиодном чипе из одной пары и при синхронном увеличении тока на втором светодиодном чипе из этой пары, то может быть получен достаточно плавный сдвиг максимума суммарного спектра излучения. Разрешающая способность сканирования определяется количеством светодиодных чипов и шириной их спектров.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, определенной формулой полезной модели.