CMOS與PMT檢測器在火花
OES分析中的應用比較

前言：
在進入主題前，讓我們來先了解CMOS、CCD與PMT到底是什麼，三者之間又有何關聯性：

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）：互補式金屬氧化物半導體

是一種積電路製程，可在矽晶圓上製作出PMOS（P-channel MOSFET）和NMOS（N-channel MOSFET）元件，由於PMOS與NMOS在特性上為互補性，因此稱為CMOS。可用來製作電腦電器的靜態隨機存取記憶體、微控制器、微處理器與其他數位邏輯電路系統、以及除此之外，經過一些不同的加工處理後，可以實現比較特別的技術特性，使它可以用於光學儀器上，例如互補式金氧半導體在圖像傳感裝置在一些高級數位相機中變得很常見，反而使得CMOS現在主要是感光元件的代名詞。

CCD ( Charge Coupled Device )：電荷耦合元件

是一種積體電路，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將影像轉變成數字訊號；主要的功能可以把光轉換成電，而電的信號經過各式的電路就可以成為數信號，配合現今發展蓬勃的電腦加以處理，便可以有多樣化的影像出現。應用在數位攝影、天文學，尤其是攝影測量學（photometry）、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術成像。

PMT ( photomultiplier tubes，PMT )：光電倍增管

是一種對紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進入的微弱光信號增強至原本的108倍，使光信號能被測量。廣泛應用於高能物理、天文等領域的研究工作，與及流體流速計算，醫學影像和連續鏡頭的剪輯。

Spark OES ( Spark Optical Emission Spectroscopy )：火花光學發射光譜法
是一種用於檢測各種金屬元素成分的分析技術，其應用廣泛，備受信賴；可使用OES技術進行檢測的樣品包括金屬熔液、金屬半成品和成品，以及金屬加工業、管材、螺栓、棒材、線材、板材等等。

檢測原理：
所有火花光學發射光譜儀均由三大部分構成，首先是光源，第二大部分就是光學系統，第三大部分是數據處理系統。

( 一 ) 光源又稱激發原：
高壓光源激發金屬樣品中的原子，產生電極引起放電，此放電能夠擊穿樣品，將樣品加熱，使材料表面物質蒸發，激發材料中的原子使其發射出元素的特徵譜線。放電有兩種形式，第一種是電弧放電，為可持續放電，類似於閃電；第二種是火花放電，這是一串多端放電現象，電極的電壓時開時斷；需要根據具體被測元素及準確度要求的不同來選用這兩種工作模式。

( 二 ) 光學(分光)系統：
樣品蒸發時發射的複合光譜被稱為等離子體，其會進入光譜儀；光譜儀內的衍射光柵會將進入的光譜根據波長色散開，然後通過對應的檢測器測量各個波長的譜線強度，測量得出的譜線強度與樣品中的元素濃度成正比。

( 三 ) 數據處理系統：
系統獲得測得的強度後，會通過預設的校準程式對數據進行處理並得出元素濃度；用戶介面可直接、清晰地顯示處理結果，僅需操作人員進行少量操作，結果也可列印或保存以便日後使用。

OES偵測器技術：
在分析現場產生局部等離子體，通過該等離子體的光譜，可獲悉樣品中存在哪些元素；所有OES偵測器必須能夠檢測這些光信號，並將其轉換為可測量的信號（電信號）；所有檢測器均依靠光電效應將入射光轉化為電流。但對於不同的檢測器技術，用於檢測的材料類型以及隨後將光生電子放大成可測量的物件的方法有所不同；早期OES的偵測器多是PMT或CCD架構。
PMT本質上是加速和放大生成電子的真空管，可被視為高度專業化的檢測器，可檢測到檢出限極低的少數特定元素的存在；其缺點是價格昂貴，每個PMT檢測器將只能提供一個通道結果。CCD是許多光敏圖元的陣列，可完全集成到直接連接至檢測電子設備其餘部分的完整半導體器件中，可檢測到覆蓋範圍更寬的元素；其缺點是靈敏度較低，因此CCD不適合必須將雜質元素和痕量元素含量控制在極低限值的領域（例如，熔體分析）。

結合兩者優點的CMOS：
互補金屬氧化物半導體（CMOS）偵測器，能將OES分析提升至全新水準；取代光電倍增管（PMT）和電荷耦合元件（CCD）。
CMOS是一種在積體電路中廣泛使用的半導體拓撲技術，主要優勢是高速和幾乎為零的靜態功耗，因此可將更多器件塞進小空間中，而不會出現過熱現象；這就是為什麼如今的微處理器、RAM和ASIC...等,皆以CMOS為主。CMOS技術在光學應用中更高效、更少雜訊；由於現今CMOS生產已於市場日漸增加，又與專業CCD製造相比，其相對便宜，這就是為什麼相機製造商開始選擇CMOS（而非CCD）來製作數位技術應用。

Hitachi OE系列火花直讀光譜儀：

設計基於CMOS檢測器的範圍、靈敏度與全新光學設計相結合，提供通常只有成本更高的儀器才能達到的高性能；OE系列具有節省的操作成本和相對較小的佔地面積，可檢測金屬中的所有元素（包括氣體元素）。這是因為CMOS檢測器具有非常好的解析度、動態範圍，且線性好；CMOS檢測器已針對測量紫外光經過優化，也可用於TRS（時間分辨光譜）。

Hitachi OES超高解析CMOS偵測器

Hitachi推出型號”OE750”採全幅CMOS高靈敏偵測器，性能涵蓋幾乎全金屬元素光譜範圍，符合各國規範牌號數據庫，同級產品中最低ppm偵測極限機型，可於產線長時間連續幾千次量測的高穩定性；偵測波長範圍：119~670nm，可擴充最高到766nm，涵蓋從氫到鈾，數秒鐘即可測得精準數據對比龐大資料庫。
獨步的直接光路設計及單光鏡透鏡(MgF2材質)收光反應更快速，免除光纖耗材保養，省下後續維護費用,獨家可單換CMOS檢測器設計，替代傳統需更換整體模組的高成本；業界唯一採用無油式(乾式)真空幫浦設計，沒有傳統油式幫浦油氣，全時維持光室潔淨，氬氣整體用量減少約30%。