Ưu việt của cảm biến CMOS trong máy phân tích quang phổ của GNR

GNR Srl thành lập năm 1984 và được biết đến là một trong những hãng có kinh nghiệm nhất trong nghiên cứu, phát triển và sản xuất các Máy phân tích quang phổ phát xạ (OES) trên thế giới.

Họ đã tiếp quản OPTICA srl, một trong những công ty châu Âu đầu tiên và nổi tiếng nhất trong lĩnh vực thiết bị phân tích. Nỗ lực liên tục được duy trì trong nhiều năm hoạt động đã cho phép GNR vươn lên vị trí nổi bật trong số các nhà sản xuất Máy quang phổ phát xạ hồ quang quan trọng nhất - với thị phần 7% trên toàn thế giới.

Một trong những bộ phận chính quan trọng nhất của Máy quang phổ phát xạ đó là bộ thu tín hiệu (detector), nó quyết định về khả năng phát hiện các nguyên tố trong hợp kim, độ chính xác, độ ổn định của phép phân tích thành phần hóa học. Và bộ phận này cũng liên tục được cải tiến, chúng ta cùng điểm qua 3 công nghệ đã và đang được sử dụng cho đến thời điểm hiện nay:

1. Công nghệ ống nhân quang – PhotoMultiplier Tubes (PMT)

Các bộ thu tín hiệu đầu tiên sử dụng là loại Ống nhân quang Analog, là loại truyền thống và vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng ở thời điểm hiện tại nhờ giới hạn phát hiện thấp hơn (LOD).

Tuy nhiên, công nghệ PMT bị hạn chế do giá thành rất cao, phức tạp hơn khi lắp đặt và cần bảo trì nhiều hơn. Việc nâng cấp hay sửa chữa cũng rất khó khăn và tốn kém.

2. Công nghệ CCD - Charged Coupled Device

Bộ thu tín hiệu kiểu CCD bắt đầu được sử dụng từ hơn 20 năm nay, là loại kỹ thuật số, nói chung có LOD cao hơn nhưng linh hoạt và giá thành rẻ hơn rất nhiều. Một cảm biến CCD không thu riêng một bước sóng mà là một khoảng bước sóng.

Để đơn giản, chúng ta có thể hình dung các máy ảnh kỹ thuật ngày nay đã được cải tiến rất nhiều, cho ra các bức ảnh rất nhanh và rất đẹp, khiến cho người ta quên đi những chiếc máy ảnh cơ cồng kềnh, đắt tiền. Cảm biến CCD cũng như vậy, được cải tiến không ngừng để cho phát hiện được những nguyên tố bước sóng thấp (vùng UV) tốt hơn, cải thiện LOD, độ ổn định và độ chính xác so với cảm biến PMT. Có thể nói những máy quang phổ phát xạ trang bị cảm biến CCD có thể đáp ứng được trên 90% nhu cầu thị trường nói chung.

3. Cảm biến CMOS – công nghệ mới nhất thay thế cho CCD trên các dòng máy OES của GNR

Những ưu điểm của cảm biến CMOS:

• Tín hiệu mạnh hơn và Hiệu suất tốt hơn
• Cải thiện tỷ lệ tín hiệu
• Không có hiệu ứng Blooming
• Giảm thời gian phân tích

Hình ảnh cảm biến CMOS - Độ nhạy cao, vùng cảm quang với các pixel dài theo chiều dọc

CMOS là cảm biến hình ảnh tuyến tính, có độ nhạy cao, sử dụng vùng cảm quang dài bao gồm 4096 pixel, mỗi pixel có kích thước 7x200 µm.

Các tính năng khác bao gồm độ nhạy cao và khả năng chống chịu cao trong vùng UV. Nó hoạt động từ một nguồn cung cấp 5 V duy nhất nên phù hợp để sử dụng trong các máy đo quang phổ.

So sánh độ nhạy quang:

Độ nhạy sáng tốt hơn 4 lần so với thế hệ trước.

Độ nhạy sáng 0,10 A / W tại bước sóng 130 nm cho phép đo cả các quang phổ vạch trong vùng VUV.

Kiểu đấu nối cảm biến CCD:

• Vòng lặp tích hợp thu thập tín hiệu đơn - 25ms: mỗi lần chuyển đổi pixel 25 mili giây và tích hợp kỹ thuật số
• Không đồng bộ hóa tia lửa: thu thập trong vòng lặp tự do
• Thu thập số độc lập với tần số tia lửa điện (khoảng 40 lần cho một giây)
• Không thể thực hiện việc thu thập tín hiệu nguyên tố có hàm lượng vết (rất nhỏ)

Kiểu đấu nối cảm biến CMOS:

• Thu thập tín hiệu được đồng bộ hóa với tia lửa điện
• Vòng lặp thu nhận phụ thuộc vào tần số tia lửa: 500 Hz có nghĩa là 1 lần thu nhận cứ sau 2ms; 500 chuyển đổi / giây
• Vòng lặp thu nhận thời gian thấp hơn = 1ms (1000 Hz) [Tốc độ tối đa]
• Mọi hệ thống tia lửa đều đọc pixel và tích hợp kỹ thuật số giá trị
• Do thực tế là hệ thống thu nhận có thể đọc tia lửa đơn, trong tương lai gần sẽ có thể thực hiện quy trình kiểm tra để cải thiện LOD cho phần tử quan trọng (Quang phổ phân giải theo thời gian)

So sánh giữa cảm biến CCD và CMOS:

So sánh giữa CCD và CMOS khi bão hòa:

Trong hình trên, cảm biến CMOS màu đỏ và cảm biến CCD màu xanh lam. Quang phổ khi chưa hiệu chỉnh nền.

Chúng ta có thể quan sát ảnh hưởng của hiệu ứng Blooming trên CCD. Hiệu ứng này hạn chế khả năng đo các đường phân tích gần với vùng bão hòa. Trong khi hiệu ứng Blooming không có trên CMOS.

So sánh peak P 1783 giữa 2 cảm biến CMOS và CCD:

Sử dụng các điều kiện tia lửa giống nhau có thể đánh giá sự khác biệt giữa cảm biến CMOS và CCD. Cường độ tín hiệu của peak P1783 thu được ở cảm biến CMOS lớn hơn nhiều lần ở cảm biến CCD.

Dưới đây, chúng ta cùng xem độ chính xác của máy quang phổ OES khi phân tích nền Fe và sử dụng cảm biến CMOS:

Qua các sự so sánh trên, chúng ta có thể thấy được những ưu việt tuyệt vời của cảm biến CMOS thế hệ mới nhất. Với kinh nghiệm 37 năm nghiên cứu, phát triển và tích hợp cảm biến kỹ thuật số vào hệ thống máy phân tích quang phổ OES, GNR định hướng áp dụng công nghệ CMOS trên toàn bộ các model máy quang phổ phát xạ, thay thế cho không chỉ cảm biến CCD mà thậm chí cả công nghệ PMT.

Để được tư vấn cụ thể hơn, xin hãy liên hệ với chúng tôi!