Mobiles emissionsbasiertes Mikrospektrometer zur Analyse unbekannter gasförmiger Substanzen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alexander Weiß; Dr.-Ing. Sven Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496343159

Das geplante Vorhaben adressiert die Erforschung eines neuartigen, hochminiaturisierten und mobilen Spektrometers für unbekannte Gase und Gasgemische. Im Gegensatz zu den bislang bekannten Konzepten für Gasspektrometer, welche hauptsächlich die Absorptionswechselwirkung zwischen verschiedenen Gasbestandteilen und Licht im Infrarotbereich nutzen, basiert das im Rahmen des Vorhabens zu untersuchende Prinzip auf der Ionisation der unbekannten Gasmixtur in einem Plasma bei gleichzeitiger spektroskopischer Auswertung der Plasmaemission. Da sich Niederdruckplasmen aufgrund der nicht miniaturisierbaren Pumpensysteme zur Unterdruckerzeugung nicht für mobile Geräte eignen, setzt das vorgeschlagene Vorhaben auf die Verwendung einer Mikroplasmaquelle für den Atmosphärendruckbereich, welche in Form eines kompakten Split-Ring-Resonators (SRR) ausgeführt werden soll. Derartige Plasmaquellen arbeiten mit Mikrowellenanregung, wobei zum Zünden und Erhalten einer stabilen Entladung häufig große Anregungsleistungen benötigt werden, die einen Einsatz in mobilen Geräten stark erschweren. Das geplante Vorhaben soll sich daher sehr intensiv mit der Reduzierung des Energiebedarfs der Plasmaquelle beschäftigen, was unter anderem mit der Verwendung höherer Anregungsfrequenzen, der Nutzung von Resonanzfrequenzen des SRR höherer Ordnung sowie einer integrierten Zündhilfe erreicht werden soll. Der Betrieb unter Atmosphärendruck und die geringen geometrischen Abmessungen behindern das schnelle Einbringen des zu analysierenden Gases in die Plasmaquelle. Im Rahmen des vorgeschlagenen Vorhabens soll daher eine verbesserte Mikropumpe erarbeitet werden, die mit fluidischen Kanälen arbeitet, welche direkt in eine bewegliche Struktur integriert sind. Da diese Pumpen nur sehr geringe Gasmengen fördern können, sollen auch neue Ansätze zur deren Charakterisierung untersucht werden. Schließlich muss die Lichtemission der Plasmaquelle spektral aufgespalten und gemessen werden. Zu diesem Zweck soll im Rahmen des vorgeschlagenen Vorhabens ein neues MEMS-basiertes Mikrospektrometer für den VIS-Bereich erforscht werden, welches vollständig In-Plane arbeitet und mittels elektrostatischer Antriebe durchgestimmt werden kann. Zusätzlich soll ein geeigneter Dünnfilmdetektor entworfen und mit dem Spektrometer kombiniert werden. Das MEMS-Spektrometer selbst stellt bereits ein Novum dar, seine Kombination mit einer Mikroplasmaquelle zu einem Lab-On-Chip für die spektrale Gasanalyse ist bislang noch nicht untersucht worden. Zum Ende des Vorhabens soll ein funktionsfähiger Demonstrator entstehen, welcher mit einer mobilen Energiequelle betrieben und vollständig in Siliziumtechnologie aufgebaut werden soll. Dieser Demonstrator ermöglicht schließlich die Untersuchung fluiddynamischer, plasmaphysikalischer und spektraloptischer Effekte sowie deren Wechselwirkung, welche letztlich Dynamik, Bandbreite, Auflösung und Reproduzierbarkeit des Gasspektrometers bestimmten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen