Infrarot-Meßsystem auf Basis von Silizium-Wellenleitern für die Umweltanalytik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf, die Realisierung und Charakterisierung eines integriert-optischen Infrarot-Messsystems. Das Licht im Messstrahlengange wird durch Evaneszentfeld-Wellenleiter gefuhrt. Dies vermeidet die inhärenten Nachteile konventioneller Messsysteme, deren geometrisch lange, kollimierten Messstrecken und fokussierende Spiegel zur Faltung des Messstrahlenganges justiert werden müssen. Das System basiert auf in Silizium-Volumen-Mikromechanik mit Plasmaätzverfahren freitragend strukturierten integriert optischen Wellenleitern, die im Spektralbereich zwischen 1,5pm und 6,3pm ausreichend transparent sind, in dem die Absorptionsbanden vieler Schadgase, insbesondere CO, CO2, N2O, NO, NO2, CH4 und H2O, liegen. Durch eine geeignete Geometrie sind hohe evaneszente Feldanteile trotz des hohen Brechungsindex von Silizium möglich. Die kleinen Querschnitte (3 pm x 5 pm) und die engen Krümmungsradien ermöglichen es, lange Wellenleiter auf einem kleinen Substrat (5mm* 10mm) unterzubringen. Durch Integration der Strahlungsquelle in den Wellenleiter als indirekt beheizte Wellenleiter und deren Zusammenführung am Eingang sowie die monolithische Integration eines Spektrometers am Ausgang wäre ein ohne Montage- und Justieraufwand integriertes IR-Meßsystem möglich. Allerdings weisen die Evaneszentfeld-Wellenleiter noch eine zu hohe Dämpfring auf, so dass empfindliche Messungen nicht möglich sind. Durch Politurprozesse können diese weiter verbessert werden. Die Leistung thermischer Quellen ist auch bei der Kombination von hundert Einzelemittern nicht ausreichend. Durch neue Entwicklungen bei MIR-LEDs und -VCSELs können bald Quellen zur Verfügung stehen, welche empfindliche Messungen ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DE000010127497A1, Optischer Evaneszent-Feld-Lichwellenleiter in Mikrosystemtechnik
- Integriert-optische Evaneszentfeld-Lichtwellenleiter für die Gasanalyse im mittleren Infrarotbereich, Dissertation, TUHH 2004
Siebert, Ralf
- Infrared integrated optical evanescent field sensor for gas analysis: Part I: System design. Sensors and Actuators A: Physical,Volume 119, Issue 1, 28 March 2005, Pages 138-149
Siebert, Ralf and Müller, Jörg
- Infrared integrated optical evanescent field sensor for gas analysis; Part II. Fabrication, Sensors and Actuators A: Physical,Volume 119, Issue 2, 13 April 2005, Pages 584-592
Siebert, Ralf and Müller, Jörg
- IR gas measurement system based on silicon-wave guides. Proceedings IRS2 2006 Conference, Pages 279-284, Nümberg, Mai 2006
O. Horn, J. Müller
