浙大与RMIT研发10×10微米微型光谱仪

浙江大学与澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）联合团队在《自然·电子学》（Nature Electronics）发表论文，成功研制基于热塑性聚合物微涡旋的光学色散结构，单个结构尺寸仅10×10微米²，为当前报道中 footprint Zui小的片上光谱编码单元之一。该结构无需传统光栅或棱镜，可覆盖400–1550 nm宽波段，且响应不随入射角变化，已与标准CMOS图像传感器集成，构成可量产的片上光谱仪原型。

传统光谱仪依赖衍射光栅、棱镜等分光元件，体积大、成本高、抗震性差，难以嵌入手持设备或工业在线监测系统。近年来，两类微型化路径并行发展：一类是机械式微缩台式系统，但受限于光学衍射极限，难以突破毫米级尺寸；另一类是计算重建型光谱仪，即用微尺度光学编码器（如超表面、光子晶体、光电探测器阵列）生成独特光谱响应特征，再通过算法反演原始光谱。后者对前端编码器件的多样性与稳定性要求极高——每个编码单元需具备可区分、可复现、宽带响应的色散特性，而此前缺乏兼具微型化、宽谱带与工艺兼容性的物理编码方案。

10×10 μm²微涡旋结构如何实现宽谱稳定色散

研究团队选用聚碳酸酯（polycarbonate）作为基底材料，利用飞秒激光辐照引发局部微爆与流体动力学重构，在材料内部自组织形成微米级涡旋结构。该过程不依赖光刻掩模或蚀刻工艺，可在整片晶圆上并行加工，适配现有半导体后道封装产线。微涡旋结构通过调控光在亚波长尺度下的相位与振幅分布，实现连续波长依赖的光场调制，其色散性能在400–1550 nm范围内保持平坦响应，且±30°视角内光谱输出偏差小于1.2%。这一特性显著优于同等尺寸下基于硅基超表面的方案——后者在近红外波段易出现谐振衰减，且对入射角敏感。

该色散薄膜与商用CMOS图像传感器直接键合，构成“色散-成像”一体化芯片。测试中，团队用该芯片扫描三叶漆（Triadica sebifera）微米级种子表面，成功重建出空间分辨率达5 μm、光谱通道数达64的高光谱图像，验证了其在生物组织原位成像与微区成分识别中的可行性。值得注意的是，该芯片无需外部准直光学系统，光源可直接耦合至薄膜表面，大幅降低系统集成复杂度。

配套模拟存内计算芯片实现125纳秒光谱重建

计算型光谱仪的瓶颈不仅在于前端编码，更在于后端重建的功耗与延迟。传统方案需将模拟光电流信号经ADC转换为数字信号，再上传至外部CPU进行矩阵运算，链路长、能耗高。同期刊发的另一篇论文中，清华大学、上海交通大学、剑桥大学与阿尔托大学团队开发了一款576千比特全集成忆阻器（memristor）芯片，直接在硬件层面完成光谱重建。该芯片采用掺杂界面调制层与氧交换层的氧化铪（HfO₂）忆阻器，支持高精度模拟权重存储，并嵌入正则化与滤波策略抑制读出噪声。实测可在125纳秒内完成单次光谱重建，能耗仅6.7纳焦耳（nJ），较当前Zui优GPU加速方案提速3个数量级，功耗降低约98%。

这两项技术形成完整闭环：浙大-RMIT的微涡旋编码芯片负责前端光学信息压缩，清华-剑桥团队的忆阻器芯片承担后端低功耗实时解码。二者均采用CMOS兼容工艺，可分别流片后通过2.5D封装集成，或进一步探索单片异质集成路径。对国内光谱设备制造商而言，这意味着两条可选技术路线：若聚焦终端设备小型化（如水质快检仪、药品真伪识别笔、农业无人机载荷），应优先评估微涡旋薄膜的晶圆级加工良率与CMOS传感器匹配接口；若面向工业过程监控或边缘AI检测场景，则需关注忆阻器芯片的IP授权状态、HfO₂材料国产化替代进展及配套驱动电路设计资源。

从供应链角度看，微涡旋结构所用聚碳酸酯基底属通用工程塑料，国内鲁西化工、万华化学等企业已实现百万吨级产能，原料供应无瓶颈；而高性能HfO₂忆阻器所需的原子层沉积（ALD）设备与高纯前驱体，目前仍依赖ASM、TEL等海外厂商，国产ALD设备在均匀性与重复性方面距量产要求尚有差距。此外，该类微型光谱仪暂未涉及ISO 13696、IEC 61262等主流光谱仪器认证体系，国内药监局（NMPA）与生态环境部尚未出台针对片上光谱模块的校准规范，实际落地医疗或环保场景前，需预留6–12个月的第三方计量验证周期。

值得特别关注的是10×10 μm²这一尺寸指标：它已逼近可见光衍射极限（约200 nm），意味着单颗CMOS像素（典型尺寸1.1–3.0 μm）可直接对应一个独立色散单元，从而摆脱传统“多像素合成一通道”的空间复用模式。这将显著提升光通量利用率与信噪比，尤其利好弱光场景下的荧光检测与拉曼光谱预筛选——对国内从事POCT（即时检验）设备开发的企业而言，该结构有望替代现有LED+滤光片组合，成为新一代微型化激发/采集光学引擎的核心元件。