Miniaturisierter Sensor für IR Fingerabdruck

Miniaturisierter Sensor für IR Fingerabdruck

Basierend auf der bewährten MEMS Technologie wurde eine Technologie erforscht und entwickelt, welche die Realisierung integrierter photonischer Strukturen im mittleren Infrarot (mid-IR) ermöglicht. Damit können Sensoren zur Bestimmung der charakteristischen IR-Absorption in Fluiden realisiert werden, welche die Überwachung des Zustands dieser Fluide ermöglicht. Diese Methode ist im Labormaßstab etabliert und bewährt, wurde aber bis jetzt nicht breit in Produktionsprozessen eingesetzt da keine entsprechenden Sensoren verfügbar waren. Die neu entwickelte Technologie löst dieses Problem.

Moderne Produktionsprozesse erfordern die allgegenwärtige Verfügbarkeit von Informationen über den Zustand von Maschinen und Produktionsanlagen als auch über die Zusammensetzung der produzierten Güter. Die Verfügbarkeit solcher Daten ist eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung von Konzepten wie „Industrie 4.0“.

Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) in einem bestimmten Produkt als auch Wartungsflüssigkeiten spielen eine wesentliche Rolle in vielen Produktionsprozessen. Dies kann zum Beispiel eine komplexe Flüssigkeit in der pharmazeutischen oder der Nahrungsmittel-Produktion sein oder eine Wartungsflüssigkeit wie das Schmieröl einer Maschine. Zur Prozesskontrolle, aber auch zur Erfassung unerwünschter Zustände, kann der Zustand solcher Flüssigkeiten überwacht werden. Zur Analyse von Flüssigkeiten stehen eine Anzahl Parameter zur Verfügung. In der analytischen Chemie ist die Infrarot (IR) – Absorptionsmessung eine insbesondere nützliche Methode zur Analyse der Zusammensetzung einer Flüssigkeit. Dabei wird die spezifische Absorption von Molekülen bei charakteristischen Wellenlängen ausgenützt – jedes Molekül besitzt somit einen „Fingerabdruck“ im Absorptionsspektrum. Das mittlere Infrarot (mid-IR) ist dabei ein besonders interessanter Wellenlängenbereich, da die meisten Moleküle dort einen ausgeprägten Fingerabdruck aufweisen. Integrierte Sensoren für die Absorptionsmessung in diesem Bereich sind jedoch de facto derzeit nicht verfügbar. Etablierte Messinstrumente der analytischen Chemie sind wiederum meist nicht geeignet für Messungen in Prozessen da sie üblicherweise zu groß oder teuer sind, oder manuelle Wartung oder Handling benötigen.

Um dieses Problem anzugehen haben wir ein Konzept entwickelt in dem wir die IR-Absorption bei spezifischen Wellenlängen (welche für die jeweils anvisierte Anwendung oder Substanz relevant sind) vornehmen anstatt ein breites Spektrum aufzunehmen. Das ist zielführend, da für eine bestimmte Anwendung keine gänzlich unbekannte Substanz analysiert werden muss sondern lediglich Änderungen einer bekannten Flüssigkeit erfasst werden müssen.

In unserer Forschung haben wir eine Technologie entwickelt und erforscht, die die Herstellung von MIR-Absorptionssensoren untder der Verwendung von MEMS (micro-electromechanical systems) Technologie ermöglicht – einer etablierten Technologie zur Realisierung von miniaturisierten mechatronischen Systemen. Das Ziel ist die Darstellung eines kompletten Systems, bestehend aus einem IR Emitter, einem Sensorelement welches sich in Kontakt mit der zu vermessenden Substanz befindet und einem Detektor, auf einem einzigen Chip (mit Abmessungen im mm-Bereich). Als Sensorelement wird ein optischer Wellenleiter für MIR verwendet. So ein Wellenleiter führt einen Bruchteil der sich in ihm ausbreitenden Welle außerhalb der Wellenleiter Struktur, also in seiner unmittelbaren Umgebung (das so genannte evaneszente Feld). Eine Flüssigkeit die sich in diesem Bereich befindet führt dann zu einer charakteristischen Absorption, welche sich in einer Abschwächung des Signals im Detektor niederschlägt. Die Struktur enthält zudem Filterelemente die die MIR Strahlung in den gewünschten Wellenlängen ausfiltert. Diese Wellenlängen sind für einen bestimmten Sensor fixiert, können jedoch durch Anpassungen des Sensor-Layouts einfach für andere Anwendungen adaptiert werden.

Diese Technologie ist jetzt erfolgreich entwickelt worden, wesentliche IP wurde patentiert oder als Patent angemeldet. Wir befinden uns nun im Stadium der Evaluierung dieser Technologie mithilfe erfolgreich hergestellter Demonstratoren für ausgewählte Anwendungen anhand derer die Möglichkeiten und Grenzen dieser Technologie dargestellt werden sollen.

 

Fig.1: Konzept eines MIR Absorptionssensor mit einer Quelle, einem Wellenleiter als Sensorelement und einem Detektor. Das zu untersuchende Fluid wird im evaneszenten Feld des Wellenleiters platziert wodurch sich eine charakteristische Dämpfung der geführten IR-Welle ergibt (links). Rasterelektronenmikroskopie-Bild eines Wellenleiters. Dieser spezielle Typ ist durch eine so genannte photonische Kristallstruktur realisiert mit der sich ein Wellenleitungseffekt bei einer ausgewählten Wellenlänge ergibt. Die Welle wird entlang der entworfenen „Defekte“ der Kristallstruktur geführt (lineare Struktur in der Mitte).

Wirkungen und Effekte

Diese Technologie wird die breite Anwendung der, auf dem Labormaßstab bereits etablierten, erfolgreichen IR-Absorptions-Messmethode in Anwendungen fördern, wo sie bisher aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von kostengünstigen und miniaturisierten Sensoren keine Anwendung fand. Typische Branchen betreffen Produktionsprozesse für fluide Produkte aber auch Zustandsüberwachungsanwendungen für Betriebsflüssigkeiten.

Fähigkeiten

Gepostet am

5. April 2014

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