Toon alle artikels

Kopen of niet kopen? – Deze chip vertelt het u.

Gepubliceerd op 21 februari 2013

Is deze mango rijp? Of zal je thuis ontdekken dat de mango die je kocht helemaal niet sappig of zoet is. En hoe zit het met dit stuk vlees? Zit er teveel water in waardoor je sappige biefstuk na bakken zal veranderd zijn in een droge schoenzool? Het juiste product kopen gaat vaak gepaard met een flinke dosis geluk. Als je het aan de onderzoekers van Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPLMS) in Dresden vraagt, behoort dit binnen afzienbare tijd tot het verleden. In de toekomst zal je alleen nog je smartphone moeten richten op het product dat je wil kopen, de app activeren, het juiste product selecteren uit het menu – bijvoorbeeld “mango”- en het toestel zal onmiddellijk een aanbeveling doen: hoog fructose gehalte dus kopen maar! Deze toepassing is gebaseerd op een nabij infrarood spectrofotometer die de hoeveelheid water, suiker, zetmeel, vet en proteïne in producten meet. Het systeem “kijkt” enkele centimeter onder het productoppervlak, wat betekent dat het ook kan detecteren of bijvoorbeeld het binnenste van een appel al aan het rotten is. Dunne verpakkingen vormen eveneens geen probleem daar het toestel hier gewoon doorheen kan meten.

Kleiner dan een suikerklontje

Maar hoe werkt dit toestel nu precies? Het te testen product wordt belicht met een breedspectrum licht en, afhankelijk van de samenstelling van het product, reflecteren verschillende golflengten in het NIR-gebied. Uit het aldus verkregen spectrum kan vervolgens de samenstelling van het product worden afgeleid (Zie ook artikel Toepassingen van NIR-spectroscopie in de voedingsindustrie).

Het vernieuwende aspect van deze spectrofotometer is zijn grootte. Met een volume van slechts 2,1 cm2 is hij 30% kleiner dan een suikerklontje en dus ook substantieel kleiner dan de commercieel beschikbare tegenhangers die tot wel 350 keer groter zijn. Omwille van de kleine afmetingen en de lage energieconsumtpe (slechts enkele milliwats) maakt dit toestel uitermate geschikt voor integratie in mobiele meetsystemen en on-site metingen.

Een ander voordeel is dat het toestel goedkoop en in grote hoeveelheden kan geproduceerd worden. De onderzoekers verwachten dat deze spectrofotometers zullen evolueren zoals de digitale camera’s: een digitale camera die 10 jaar geleden nog 500 euro kostte, is minder performant dan diegene die je vandaag de dag bijna gratis in je gsm kan terugvinden.


Figuur1: Scanning grating spetrofotometer kleiner dan een suikerklontje @Fraunhofer IPMS)

Productieproces

Klassieke spectrofotometers worden vervaardigd door het assembleren van individuele componenten: de spiegels, optische gaps, grating en detector moeten elk individueel worden geplaatst en nauwkeurig worden uitgelijnd. De IMPS onderzoekers daarentegen produceren de individuele gratings en optische gaps direct op siliconen wafers. In de scanning grating spectrofotometer van Fraunhofer IPMS wordt het licht verstrooid op een bewegende optische grating geproduceerd via Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technologie. Deze grating kan het spectrum scannen met één enkele zeer gevoelige detector in plaats van met een hele array aan detectoren. Het centrale element van de spectrofotometer is een MEMS-chip van 9.5x5.3x0.5 mm3 (Figuur 2). De MEMS scanner met de diffractie grating en de optische slits worden rechtstreeks op siliconen wafers geproduceerd.

Maar dat is nog niet alles: de dunne siliconen wafers zijn groot genoegd om te componenten van verschillende honderden spectrofotometers te bevatten. Met andere woorden: honderden NIR-systemen kunnen in één keer worden geproduceerd! De wafers die de geïntegreerde componenten bevatten worden vervolgens boven op de wafers met de optische componenten geplaatst. Deze wafers worden uitgelijnd en aan elkaar bevestigd. Uiteindelijk kunnen dan de verschillende spectrofotometers geïsoleerd worden. Dit houdt ondermeer in dat niet elke component afzonderlijk gepositioneerd dient te worden, maar enkel de grotere substraten. Een bijkomend voordeel van deze MEMS-technologie is dat de geproduceerde toestellen robuuster zijn dan de handgemaakte alternatieven.


Figuur 2: De spectrofotometer is, compleet met de geïntegreerde diffractie grating, grating drive, positiedetector en optische gaps; veel compacter dan de huidige commercieel beschikbare toestellen (@ Fraunhofer IPMS)

Toekomstperspectief

Een prototype van dit toestel werd reeds voorgesteld op de Sensor+Trade show (Nuremberg, 22-24 May 2012) en doet dit binnenkort ook op Photonics West in februari 2013, een van de grootste trade shows voor optische technologie. Verwacht wordt dat de technologie in drie tot vijf jaar op de markt kan worden gebracht. De onderzoekers werken ook aan de ondersteunende infrastructuur. Intelligente algoritmes worden ontworpen die onmiddellijk de opgenomen spectra kunnen analyseren en vergelijken met de gestelde voorwaarden en dan een advies kunnen geven aan de consument: kopen of niet kopen. Dit advies is enkel gebaseerd op kwaliteitsaspecten zoals watergehalte en rijpheid. Het toestel kan immers geen microbiologische of toxicologische analyses uitvoeren.

Mogelijke toepassingsmogelijkheden van dit toestel zijn ook niet gerelateerd tot levensmiddelen: ook vervalsingen bijvoorbeeld kunnen worden opgespoord. Is dit product wel uit het juiste materiaal vervaardigd of werd een goedkoop alternatief gebruikt?

Bronnen

Meer weten?

Contacteer Dr. Heinrich Grüger, heinrich.grueger@ipms.fraunhofer.de

Dit artikel is reeds verschenen op www.sensorsforfood.com

Auteur

Veerle De Graef
program manager