基于有机半导体的芯片级近红外光谱传感技术

微访谈：赛诺瑞克（Senorics）首席执行官Ronny Timmreck博士

采访背景：赛诺瑞克（Senorics）是一家总部位于德国德累斯顿，2017年从德累斯顿工业大学衍生出来的创业公司。赛诺瑞克团队拥有十多年的光谱学研究经验，专注于微型化近红外光谱传感器及应用解决方案的专业设计和制造。公司基于有机半导体技术，开发出了颠覆性的芯片级近红外光谱传感器，结合了小尺寸（约11 mm x 11 mm）、宽光谱范围、经济性以及可规模制造等优势。2020年7月初，赛诺瑞克宣布推出一款开放、易用的工具箱平台，通过开放的硬件、知识库、软件库以及数据库，帮助用户深入了解芯片级近红外光谱传感的工作原理和技术魅力。在此背景下，麦姆斯咨询采访了赛诺瑞克首席执行官（CEO）Ronny Timmreck博士，带领大家一起了解赛诺瑞克如何推动近红外光谱技术从实验室走向更广泛的大众消费市场。

赛诺瑞克首席执行官Ronny Timmreck博士

麦姆斯咨询：Ronny Timmreck博士，您好！首先感谢您接受麦姆斯咨询的采访！我们注意到您以及赛诺瑞克的高管大多为有机半导体专业博士，请您先简要介绍一下自己和赛诺瑞克的团队情况。

Ronny Timmreck：首先，谢谢你们的邀请! 很高兴有这次机会和你们交流。回到您的问题：是的，我们公司有很多博士。例如，四位创始人中有三位是半导体博士，包括我在内。就我个人而言，我是这家公司的CEO，拥有物理学博士学位，专业方向是有机电子学。由于赛诺瑞克是德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）衍生出来的，我们的大部分技术人员以前都在该大学工作和研究过。我们是一家真正的高科技公司，目前约有40名员工。大部分工作人员专注于开发包括硬件、软件和测量算法在内的传感器解决方案。当然，我们也有行政和业务相关的员工。

赛诺瑞克创始团队

麦姆斯咨询：赛诺瑞克的芯片级近红外光谱传感技术源于德国德累斯顿工业大学应用物理和光子学综合中心，该中心在有机半导体领域的研究积累如何助推了你们的产品开发？公司的独立运营基于哪些专利技术？

Ronny Timmreck：德累斯顿工业大学应用物理和光子学综合中心（IAPP）对这项技术的发展和赛诺瑞克的诞生都是至关重要的。有机半导体的研究始于90年代初。我们今天所知道的OLED（有机发光二极管）就是那个时候由IAPP研发出来，由此也产生了此技术的第一个创业公司，之后这家公司被三星收购。在此之后，IAPP的研究人员意识到有机半导体也可以用来制造太阳能电池，于是又有了第二个创业公司。从那以后，一步一步的奠定了有机半导体传感器的核心技术，这就是赛诺瑞克技术的起源。然而，我在这里用几句话描述的却是一个长达十年的过程，涉及到很多不同的人。赛诺瑞克是站在巨人的肩膀上！当然，所有的核心技术都在全球主要国家和专利组织申请了专利。我们目前在全球多个国家拥有9个专利族，包含40多项专利。我们还在不断增加申请，因为我们的研究还在进行，相关技术也在改进。
 

德累斯顿工业大学应用物理和光子学综合中心（IAPP）外景

麦姆斯咨询：请您详细介绍一下贵司芯片级近红外光谱传感的技术原理。

Ronny Timmreck：我们的技术与目前市场上的传感技术有根本区别。最值得注意的是，我们不使用硅或铟镓砷化合物（InGaAs）这样的材料。取而代之的是，我们使用各种有机（在化学意义上是指碳基）材料的堆栈，因此被称为有机半导体。这些材料也是有机太阳能电池的基础，这种有机太阳能电池具体一些特性，可以使我们捕获并放大光，以便用于分析研究。与硅或InGaAs不同的是，我们可以修改材料的堆栈，使传感器的每个像素只接受特定的波长。除了我刚才所描述的，我们的传感器的工作原理和其他光谱传感器一样:一旦光照射到特定的像素，它就会产生电流。然后，这些电流被放大，并从模拟信号转换成数字信号——作为传感器每个像素的读出信号。这些传感器像素组合信号提供了被测物体的光谱响应。

电磁波波长范围和感光材料对应图

麦姆斯咨询：传统光谱仪的入射光通常需要先经过分光系统（如棱镜、光栅等）将其在一定空间内按规律分开，然后反射光束重新组合并用光电探测器测量。赛诺瑞克的芯片声称无需使用任何色散元件和光学元件，请问你们是如何实现分光测量的？

Ronny Timmreck：您说得对，目前的近红外传感器使用的是硅之类的宽带吸收材料，或者是InGaAs之类的材料组合，这些传感器需要一个像光栅一样的色散元件来将光分解成不同的波长，因为它们可以同时接收所有波长的光。相比之下，我们使用的是每个像素的单个有机材料堆栈。这种堆叠使其只接收量身定制的波长，不接收其他波长。因此，它作为一个“守门员”，只允许接收此前设计好的波长范围内的光。所以，我们本质上建立了一种波长选择性像素，因此可以省去色散元件，这使我们的传感器小而强大。

赛诺瑞克的芯片级近红外光谱传感器的分光测量

麦姆斯咨询：目前，应用于红外光谱传感微型化的技术主要有两类，一种基于硅材料，另一种基于砷化铟镓（InGaAs），赛诺瑞克基于有机半导体材料的技术相比之下有哪些技术特点和优势？

Ronny Timmreck：这项技术最大的优点是它将硅和InGaAs的优点结合在一起。硅的成本非常低，它是一种基本的半导体材料。然而，它的光谱覆盖有很大的局限性，大约只能到达1100nm，这意味着你无法“看到”并分析在更高波长下吸收的物质，比如酒精、糖和蛋白质。相应地，InGaAs可以吸收波长更高的光，最高可达1700nm，在某些特殊情况下可达2500nm。但是这种材料很贵。另外，这两种材料都是宽频带吸收，这意味着你需要如上所述的色散元件，这进一步增加了系统的成本和复杂性。通过使用有机半导体材料，我们可以实现与InGaAs相同的波长覆盖。目前，我们可以在1800nm范围内制造近红外传感器。未来甚至可以实现更高的波长检测。此外，我们可以受益于现有的大规模市场生产技术，这些技术最初是为OLED生产而开发的。这使得我们能够达到一个与硅基芯片相当的价格范围。加上我们集成的波长选择性，这使我们的技术完全贴合B2C大众市场的应用。此外，我还没有提到的是，我们的技术不仅可以覆盖近红外，还可以覆盖可见光谱。所以，你可以在一个芯片上得到一个覆盖可见光和近红外波段的传感器。对于某些应用来说，这也是一个真正独特和巨大的优势。

赛诺瑞克的有机半导体材料与其他材料的技术对比

麦姆斯咨询：对于微型化光谱仪，除了探测器，光源也非常重要。赛诺瑞克是否也自己开发光源？面向不同的应用，对光源又提出了哪些要求？

Ronny Timmreck：我们不开发自己的光源。然而，我们与其他公司合作，开发新的微型光源。目前，我们使用的是小型钨丝灯泡。它们满足了所有的要求：技术成熟、可靠、能完全覆盖可见光和近红外光谱（宽带发射）、功能强大且成本低廉。这使得它们成为我们目前遇到的所有应用的最佳选择。很多人有疑问，对此有两种解释。首先，LED是窄波段发射，这意味着你需要多个不同的LED来覆盖不同的波长范围，这可能会增加成本，并可能意味着你需要更多的空间来整合所有这些LED。其次，更重要的是，目前还没有能达到近红外光谱并且足够强大的LED。目前为止，近红外发光二极管还没有被市场需要，所以没有人开发它们。随着B2C兼容材料传感技术的兴起，这种情况将会改变，我们很期待未来市场上的新解决方案。

麦姆斯咨询：据了解，针对不同的客户需求和应用，赛诺瑞克的芯片级近红外光谱传感器还可以提供按需定制，请您详细介绍一下这款产品的定制化服务。

Ronny Timmreck：是的，我们可以根据具体应用定制近红外传感器。当客户向我们提出一个特定的应用场景时，我们会进行一些测试，并确定此应用场景下所需信号的波长。然后，我们可以定制传感器的像素，以这些特定的波长，定制真正的专属此应用的传感器。为什么我们只用16个像素（意思是16个波长）在我们的传感器上呢？因为我们只是对重要的波长进行集成，因此它们携带此应用所需的信息。此时，16像素的布局就可以满足所有客户的要求。事实上，客户接触到的大多数应用使用的像素都少于全部16像素。但是，如果未来客户希望使用一个传感器处理多个应用，那么我们可以采用我们的布局并构建大于16像素的传感器。

赛诺瑞克的技术特点

麦姆斯咨询：光谱分析是根据物质的特征光谱数据，鉴别物质并确定它们的化学组成和相对含量。因此，需要构建数据模型进行大量的样本训练，模型越准确，检测结果精度越高。赛诺瑞克在系统软件和数据模型方面做了哪些工作？

Ronny Timmreck：由于我们拥有不同波长的独一无二的传感器设置，我们也必须适应特定的模型构建技术。原则上，我们使用的基本算法是目前世界近红外光谱领域的最佳实践。我们也在通过机器学习和其他现代技术不断改进我们的算法。这进一步改进了结果，并为客户提供了更快的模型构建结果。然而，同样值得注意的是，这些模型只能用来训练优化样本。重要的是样本容量足够大。我们建议使用至少50个甚至100个样本来构建模型。此外，完整的对应每个样品的参考分析库也非常重要，它可以更明确的知道你需要检测的物质的定值。然而这一点经常被忽视，从而最终模型的准确性会受到很大影响。
 

材料传感的工作流程图

麦姆斯咨询：您在演讲开场时经常举例，如果白雪公主当时拥有赛诺瑞克的光谱分析技术，绝对不会吃下那颗有毒的苹果。请问赛诺瑞克的近红外光谱传感技术有哪些目标应用？

Ronny Timmreck：与现有技术相比，我们认为我们的技术非常适合B2B和B2C大规模市场应用。它们通常看重四点主要需求：能探测许多不同物质的强大传感器、足够低的价格、坚固耐用以及更小的外形尺寸。我们的技术可以在这四个方面全部打勾。由于它是一种平台化技术，所以在设计时并没有考虑特定的应用。事实上，我们与许多不同行业的客户合作，例如汽车、家电、医疗器械、食品和农业以及造纸行业等等。即使在这些行业中，也有多种可能的应用。例如，在家电行业，我们正在与一些公司合作应用于洗衣机、滚筒式干燥机、吸尘器和熨斗。正如你所看到的，材料传感的可能性是非常广泛的。因此，解决哪种应用的问题更多地取决于客户的想象力和兴趣，而不是技术的性能。

赛诺瑞克的近红外光谱传感技术的可应用领域

麦姆斯咨询：为了推动近红外光谱技术从实验室走向更广泛的大众消费市场，赛诺瑞克近日推出了一款更开放、更易用的工具箱平台模式，无论是OEM制造商、专业检测机构，亦或是物质检测技术爱好者，都可以通过工具箱平台了解和应用赛诺瑞克的颠覆性近红外光谱传感技术。请您详细介绍这款工具箱平台所提供的服务。

Ronny Timmreck：工具箱背后的想法是，我们愿意支持我们的客户从创意阶段、可行性测试、原型设计和市场投放到日常产品使用的所有方式。我们发现我们的很多客户不熟悉材料传感或近红外光谱。他们不知道这个技术到底可以做些什么，也不知道如何把一个想法变成一个可行的产品。通常，他们被繁琐的步骤所困住或感到不知所措。或者，他们只是缺乏某些方法或专业知识来继续工作。我们的工具箱就是用来解决这个问题的。它包含了所有必要的工具来支持我们的客户开发自己的材料传感解决方案。这些工具可以是硬件、软件或服务。值得注意的是，除了实际的传感器，我们还提供软件来操作它们和建立测量算法。此外，我们提供为样品设计生产的工程咨询。我们甚至可以承包项目为您研发样品原型。这完全取决于客户的需求、知识背景以及个人意愿，不管是客户自己研发还是外包给我们。这个工具箱设计得尽可能灵活，使每个顾客都可以自由选择最适合自己需要的东西。未来几个月，我们将增加更多的硬件、软件和服务工具。为此，我们也依赖于客户的反馈。他们可以联系我们告知需求和我们一起塑造这个工具箱，然后我们可以在工具箱里添加相应的工具。

赛诺瑞克的工具箱

麦姆斯咨询：国内感兴趣的用户如何注册使用这款工具箱平台，并利用它打造自己的近红外光谱传感解决方案？

Ronny Timmreck：最简单的方法是通过我们的网站www.senorics.com。在“我们提供的产品”选项中，您可以找到关于我们的工具箱的详细信息，然后您可以选择最适合您的产品。我们目前的三款产品都处于从想法到材料传感产品的早期阶段。“探索与了解”专注于提供信息和专有技术，并让您体验我们用于测量和分析数据的SenoSoft软件。“探索与了解”是免费的，您只需要注册就可以了。第二个选择是“测量和分析“，这个付费选项可以让您选择一个硬件设备或组件，以用于测量和分析材料，顾名思义，它是一个订阅选项，提供最大的灵活性。最后是“开发和建设“，这是为了满足特殊要求而设计的，比如较复杂的可行性分析测试或者原型样品的研发。由于这样的项目往往具有独特性，所以客户可以直接联系我们来讨论下一步。

赛诺瑞克的会员服务

麦姆斯咨询：您可否透露一下赛诺瑞克目前有哪些典型客户？他们的开发或应用进展如何？

Ronny Timmreck：如前所述，我们目前的客户基础在地域和行业上都非常广泛。我们的大多数客户在欧洲（例如：蔡司、博世、西门子、米勒、博世等），但亚洲和北美的客户数量肯定在上升。在中国市场，和我们合作比较紧密的要属海尔的卡奥斯平台了。当涉及到应用程序开发时，速度和方向通常是由客户决定的。当涉及到案例时，我们将客户视为领域专家，而我们将自己视为技术方面的专家。这就是为什么定义某个应用开发的范围主要掌握在我们客户手中的原因。也就是说，我们的客户进展非常快，因为他们对他们想要处理的应用有非常清晰的了解。我们也有一些客户，他们采取广泛的方法，希望一次测试多个应用，以找到最有前途的一个，从而使得开始的速度显得缓慢。这就是为什么很难对这个问题给出一个明确的答案。
 

广泛的潜在市场及部分客户

麦姆斯咨询：2017年1月，中国长虹率先在CES展会现场发布了世界上第一款搭载小型化分子光谱传感器的智能手机。在您看来，芯片级近红外光谱传感器进入智能手机主要有哪些挑战？又能开辟哪些新应用？

Ronny Timmreck：我们认为，智能手机集成光谱传感需要克服四个主要挑战。第一个是尺寸，芯片必须足够小，才能装进智能手机。长虹集成到H2智能手机中的那个已经相当小了，所以我们正在接近它。我们的技术可以进一步推动这一点。第二个挑战是光谱能力，目前大多数方法使用硅来节省成本。然而，我们不认为硅可以作为智能手机集成的最佳选择，因为它的光谱限制在大约1070纳米，这使得许多材料无法被分析，比如蛋白质。因此，集成硅方案在像智能手机这样的多功能设备上反而意义不大，因为手机用户一定希望能够测量大量的不同类的材料。第三个挑战是价格。智能手机是拼成本的设备。对于现在的手机来说，除了摄像头之外，所有内置传感器的价格加起来不到10美元！材料传感解决方案必须符合这种成本逻辑，因此不能花费几十美元。

由于赛诺瑞克技术能够开发出强大、低成本和小型材料传感解决方案，因此上述三个挑战都可以通过赛诺瑞克技术解决。第四个挑战是各种各样的测量算法，涵盖了智能手机用户感兴趣的许多应用。与其说这是一个技术问题，不如说这是一个商业问题。一旦材料传感解决方案得到更广泛的应用，我完全相信聪明的人们会看到商机的出现。他们将为特定的应用和特定的目标群体提供专门的应用程序和测量算法。你可以想象建筑工人测量混凝土中的水含量，或者批发商测量水果中的含糖量。首先，它们将通过专门的设备来解决，就像我们在90年代末和00年代初看到的GPS设备一样。最终，使用案例和可用应用的数量将大到足以吸引智能手机制造商将材料检测传感器集成到他们的手机中。我完全可以想象，在未来某天，为智能手机开发材料传感APP成为一种职业，就像现在的应用程序开发人员一样。我真的很期待那一天的到来。

麦姆斯咨询：赛诺瑞克近期在国内的展会、直播平台频频亮相，贵司希望在国内对接哪些合作伙伴，展开哪些合作？

Ronny Timmreck：我们主要在寻找两种合作伙伴。首先，我们正在寻找有兴趣将材料传感解决方案应用于产品或基于此技术研发新产品的公司或者个人。我们相信，这项技术可以提供机会并且改善许多人的生活，我们想和大家一起打造一个新的前景。其次，我们正在寻找有兴趣成为赛诺瑞克合作伙伴的工程和开发公司。这些公司使用我们的技术去帮助他们的客户建立原型样品或提供可行性评估来获得材料传感解决方案。他们和我们可以是合作伙伴的生态关系。除了这两类，我们也对研究、媒体或供应商开放。我们希望可以联系到一切对材料传感物质检测感兴趣的团体或个人，和我们一起打造这个技术下的生态系统。

麦姆斯咨询：随着新冠肺炎的全球蔓延，越来越多的科技公司将自己的技术应用到测温、社交监控、病毒检测等防疫应用，赛诺瑞克是否有计划开发相关应用？

Ronny Timmreck：作为一个初创企业，我们必须非常清楚自己的优势和劣势。当COVID-19爆发时，我们也在相关的应用领域里试图匹配我们的技术，可是我们很快意识到这不是近红外光谱的强项。不是说我们的技术完全不可能应用到这个方向上，但还有其他技术可以更好地识别病毒或在其他方面提供帮助。所以，赛诺瑞克决定不把这个研究领域作为我们的重点。然而，我们的工具箱里的“测量和分析”这个选项为每个人打开了自己尝试的机会。只能说没有想到近红外光谱帮助抗击COVID-19或其他疾病的可行性方向，但是如果企业或者个人有不一样的想法，那么我们的“测量与分析”就是一个让大家一起参与研发的方式。

麦姆斯咨询：至今，赛诺瑞克获得了哪些资金支持，近期是否有融资计划？如有，请您谈谈需求及资金用途。

Ronny Timmreck：在过去，赛诺瑞克使用了三个主要的资金来源：创始人的投入、投资者的投入和公募基金。很有可能，这些也将是这次融资的主要来源，只是可能比例和上次有所不同。当然，我们也在做财务规划。作为一个刚起步的公司，这些企划的稳定性往往没有已经发展成熟的公司高。然而，我们也知道，在未来，最大的一笔资金将投入到我们研发团队中，以改进技术并扩大工具箱。此外，我们传感器的量产也将需要资金注入。和其他公司一样，我们也有市场营销、业务开发、IT、人力资源、行政等方面的成本。我们相信，下一轮的融资会把材料传感行业带入到下一个发展阶段，真正的把这个技术从实验室带进千家万户，从而提高百姓的生活质量。我们也相信，投资人也会有同样的看法。

麦姆斯咨询：请您畅谈一下未来五年赛诺瑞克的发展目标和规划设想。

Ronny Timmreck：我们肯定会扩大工具箱，使得个人和企业更容易地开发和应用材料传感解决方案，比如传感器本身的研发、功能更丰富的软件以及更广泛的服务支持。顺其自然的，这将在未来几年内产生许多不同的基于赛诺瑞克技术的产品，我们正在努力的帮助我们的客户实现这一目标。随着需求的增长，我们将扩展我们的制造能力，正如前面提到的，这也将使我们的团队不断增长。我预计我们的员工人数将在五年内从目前的大约40人增长到100多人。我们还将在世界各地建立办事处，以便更接近当地客户和合作伙伴。由于中国对我们来说是一个重要且不断增长的市场，我们很有可能在未来五年内在中国建立长期稳定的业务。想到这里，我就觉得这真的是一场令人兴奋的旅程，我非常期待看到未来几年的发展成果！