Mikro-Spektrometer für Smartphones

27. Dezember 2017, 15:35 Uhr
Ein mit einem Elektronenmikroskop erstelltes Bild der perforierten Membran mit der „photonischen Kristallhöhle“, der Unterbrechung des Lochmusters. Unten links ein Detail dieser „Lichtfalle“. (Foto: TU Eindhoven.)
Ein mit einem Elektronenmikroskop erstelltes Bild der perforierten Membran mit der „photonischen Kristallhöhle“, der Unterbrechung des Lochmusters. Unten links ein Detail dieser „Lichtfalle“. (Foto: TU Eindhoven.)
Spektrometrie, das Analysieren von sichtbarem und unsichtbarem Licht, kennt viele Anwendungen. Jedes Material und jedes Gewebe hat einen eigenen „Fingerabdruck“ aus Absorption und Reflexion von Licht und kann somit spektrometrisch identifiziert werden. Präzise Spektrometer teilen das Licht mit einem Prisma oder einem Gitter in verschiedenen Farben (Frequenzen), die getrennt gemessen werden. Sehr genaue Messungen sind aber erst einige Dutzend Zentimetern nach dieser Aufteilung möglich, weil sich dann die verschiedenen Wellenlängen nicht mehr überschneiden. Spektrometer sind daher recht umfangreiche Geräte.

Mikrosensor

Forscher der Technischen Universität Eindhoven unter der Leitung von Professor Andrea Fiore und dem Hauptdozenten Rob van der Heijden haben jedoch einen genialen Sensor entwickelt, der auf ganz andere Weise ähnlich genaue Messungen ermöglicht. Sie haben dazu eine spezielle „photonische Kristallhöhle“ (photonic crystal cavity) entwickelt, eine nur ein paar Mikrometer messende „Falle“, aus der kein Lichtstrahl mehr herausfindet. Diese Falle befindet sich in einer Membran, in der das eingefangene Licht einen kleinen elektrischen Strom erzeugt. Dieser Strom wird dann gemessen.

MEMS

Der Doktorand Žarko Zobenica hat die Höhle sehr selektiv entworfen: Sie fängt nur Licht in einem sehr kleinen Frequenzbereich. Um einen größeren Frequenzbereich messen zu können, legten die Forscher zwei dieser Membranen direkt übereinander. Die beiden Membranen beeinflussen sich gegenseitig: Wenn man den Abstand zwischen ihnen minimal ändert, verändert sich auch die Wellenlänge, die der Sensor beobachten kann. Deshalb haben die Forscher ein mikroelektromechanisches System (MEMS) aufgebaut, das den Abstand zwischen den Membranen und somit die gemessene Frequenz variieren kann. Der Sensor kann so einen Wellenlängenbereich von ungefähr dreißig Nanometern wahrnehmen und darin kann das Spektrometer etwa einhunderttausend (!) verschiedene Frequenzen unterscheiden.

Zukunftsmusik

Um die Brauchbarkeit des MEMS zu demonstrieren, hat das Forschungsteam mehrere Anwendungen, einschließlich eines Gassensors, durchgeführt. Professor Fiore erwartet, dass das neue Spektrometer erst in fünf oder nach noch mehr Jahren für ein Smartphone einsetzbar ist, da der abgedeckte Frequenzbereich noch zu klein ist. Sein Team wird daher daran arbeiten, das beobachtbare Spektrum zu erweitern. Es ist zu erwarten, dass das Mikrospektrometer mit seinen unzähligen Anwendungen, von denen CO2 und Rauchdetektion die zwei offensichtlichsten sind, endschließlich ebenso wichtig werden wird wie die Kamera des Smartphones. Die Forscher haben ihre Erfindung in der Zeitschrift Nature Communications vorgestellt.
 
Kommentare werden geladen...
Verwandte Artikel