DE10127497B4 - Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse - Google Patents
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Abstract
Miniaturisierter
optischer Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse, der aufweist:
a) einen Lichtwellenleiter, der in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen zum überwiegenden Teil so ausgeführt und angeordnet ist, dass er in diesem Teil in seiner Umfangsrichtung gesehen freistehend ist und mit dem ihn in diesem Teil vollständig umgebenden Gas wechselwirkt und so zur Lichtabsorption bei den für das Gas charakteristischen Wellenlängen führt,
wobei
b) der Lichtwellenleiter in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen im über den genannten überwiegenden Teil hinausgehenden, im Vergleich zu diesem Teil kleinen, restlichen Teil an Aufhängungen befestigt ist,
c) der Lichtwellenleiter spiral- oder mäanderförmig angeordnet ist und
d) die Abmessungen des Lichtwellenleiters in der zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes senkrechten Querschnittsebene in der Größenordnung der Wellenlänge des vom Lichtwellenleiter geführten Lichts liegen.
a) einen Lichtwellenleiter, der in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen zum überwiegenden Teil so ausgeführt und angeordnet ist, dass er in diesem Teil in seiner Umfangsrichtung gesehen freistehend ist und mit dem ihn in diesem Teil vollständig umgebenden Gas wechselwirkt und so zur Lichtabsorption bei den für das Gas charakteristischen Wellenlängen führt,
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b) der Lichtwellenleiter in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen im über den genannten überwiegenden Teil hinausgehenden, im Vergleich zu diesem Teil kleinen, restlichen Teil an Aufhängungen befestigt ist,
c) der Lichtwellenleiter spiral- oder mäanderförmig angeordnet ist und
d) die Abmessungen des Lichtwellenleiters in der zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes senkrechten Querschnittsebene in der Größenordnung der Wellenlänge des vom Lichtwellenleiter geführten Lichts liegen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten optischen Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse. Der erfindungsgemäße Sensor ist vorzugsweise für den nahen und mittleren Infrarotbereich vorgesehen und so ausgeführt, dass er ein möglichst ausgeprägtes optisches Evaneszent-Feld aufweist, möglichst wenige Moden führt und eine für die spektrale Wechselwirkung mit der ihn umgebenden Gasatmosphäre hinreichend große Länge auf möglichst kleiner Substratfläche aufweist.
- Dispersive Infrarot-Meßsysteme werden insbesondere zur Schadgas-Analyse von z.B. CO, CO2, CH4, NOX SO2 und NH3 bei geringen Konzentrationen eingesetzt. Aufgrund der außerordentlich hohen Selektivität der charakteristischen Absorptionen dieser Gase im Wellenlängenbereich zwischen 3 μm und 6 μm bzw. bei 8 μm bis 10 μm weisen sie gegenüber anderen für diese Problematik angewandten Messverfahren wie z.B. Halbleitersensoren ein hohes Nachweisvermögen bei geringster Querempfindlichkeit bzw. vertretbaren instrumentellen Aufwand, z.B. gegenüber den auch sehr selektiven und empfindlichen GC-MS-Messverfahren auf. Um eine auch im Bereich unterhalb der MAK-Werte ausreichend hohe Empfindlichkeit zu erreichen, sind allerdings relativ lange Messstrecken von einigen Dezimetern bis zu einigen Metern erforderlich. Dazu wird der Strahlengang im allg. gefaltet und zwischen kollimierenden Spiegeln oder in innenverspiegelten Kapillaren geführt. Als IR-Quellen werden neben Breitbandquellen, in Verbindung mit schmalbandigen optischen Filtern oder einem Spektrometer, auch schmalbandig emittierende, thermisch durchstimmbare IR-Laser verwendet [J. Staab, Industrielle Gasanalyse Oldenbourg Verlag, München, 1994]. Weiterhin gibt es Untersuchungen bzw. Prototypen zum Einsatz von IR-Fasern als Evaneszent-Feld-Gassensoren in Verbindung mit Fabry-Perot-Resonatoren [Prospects of fibre-optic evanescent-field gas sensors using adsorption in the near infrared, Sensors and Actuators, 8, Chemical, Bd. 38 (1997), Heft 1–3, Seiten 42 bis 47] oder als ATR-Elemente in FTIR-Spektrometern (Silberhalogenid- oder Chalkogenid-Fasern) [Liquid and gas fibreoptic evanescent wave spectroscopy by tunable Lasers, Infrared Fibre Optics 3, Proceedings SPIE, Bd. 1591, 192 bis 201].
- Aus der
EP 0725269 A2 ist ein miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse bekannt, der einen integriert optischen Lichtwellenleiter aufweist, der mäanderförmig ausgebildet ist und nur wenige Moden führt. Dieser bekannte Sensor weist aber nicht die in den Merkmalsgruppen a) und b) des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen miniaturisierten optischen Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse anzugeben, der ein ausgeprägtes Evaneszentfeld und eine für den Messeffekt ausreichenden Länge ermöglicht und bei dem keine Justage von optischen oder mechanischen Bauteilen erforderlich ist, wobei eine Massenfertigung möglich ist.
- Die Massenfertigung ist deswegen möglich, weil die Prozesstechniken der Halbleiterindustrie genutzt werden.
- Gemäß den
1 und2 werden die integriert-optischen Wellenleiter1 zur Erhöhung des evaneszenten Feldes in Rippen- oder Kammstruktur ausgeführt, nämlich über dem Substrat2 freitragend entweder gemäß1 als Rippenstruktur oder gemäß2 als Kammstruktur. Um einen möglichst kleinen Flächenbedarf zu erzielen, werden die Wellenleiter gemäß3 (Struktur-Aufsicht) als Spirale oder4 (Struktur-Aufsicht) als Mäander ausgeführt, die wegen des relativ hohen Brechungsindexsprungs vom Wellenleiter zur umgebenden Atmosphäre (> 0,5) enge Krümmungsradien aufweisen können. Die Abmessungen der Querschnittsprofile werden so ausgelegt, dass die Gesamtbreite und die Gesamthöhe in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen. Die Breite einer Rippe sowie der Abstand zweier benachbarter Rippen sind deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge dimensioniert. Hierdurch wird die Zahl der geführten Moden kleingehalten bzw. der Grenzfall von nur einer ausbreitungsfähigen Mode erreicht, und insbesondere zwischen den Rippen, aber auch an den Außenseiten des Wellenleiters ein ausgeprägtes optisches Evaneszent-Feld erzeugt, das mit der Gasatmosphäre in Wechselwirkung steht. Das optische Evaneszentfeld kann weiterhin dadurch erhöht werden, dass der lichtführende Bereich des Lichtwellenleiters mit einer dünnen Schicht eines optisch transparenten Materials mit höherer Brechzahl überzogen ist. Die Überzugsschicht ist deutlich dünner als die Breite der Rippen bzw. die Abstände zwischen den Rippen ausgelegt. - Die mechanischen Aufhängungen
3 sind gemäß5 so ausgeführt, dass sie bei ausreichender mechanischer Stabilität eine geringe Störung der optischen Wellenleitung bewirken. Sie weisen dazu zum Wellenleiter hin Verjüngungen auf und die Substrat-Auflagepunkte befinden sich in ausreichend großem Abstand vom Wellenleiter. Der Abstand der Aufhängungen voneinander wird abhängig von elastomechanischen Anforderungen (insbesondere der Durchhang) und applikationsbedingten Anforderungen so dimensioniert bzw. maximiert, dass eine ausreichende mechanische Stabilität der Wellenleiter gewährleistet ist. Die Rippenwellenleiter werden gemäß6 zwischen den Aufhängungen mit einer für die mechanische Stabilität ausreichenden Anzahl von Querstegen4 verbunden, die den Abstand der Rippen untereinander und damit die Verteilung des optischen Feldes stabilisieren. Die Querstege sind möglichst schmal im Vergleich zur Wellenlänge ausgeführt, damit sie nur geringe Störungen der optischen Wellenleitung hervorrufen.
Claims (12)
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor zur Gasanalyse, der aufweist: a) einen Lichtwellenleiter, der in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen zum überwiegenden Teil so ausgeführt und angeordnet ist, dass er in diesem Teil in seiner Umfangsrichtung gesehen freistehend ist und mit dem ihn in diesem Teil vollständig umgebenden Gas wechselwirkt und so zur Lichtabsorption bei den für das Gas charakteristischen Wellenlängen führt, wobei b) der Lichtwellenleiter in der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen im über den genannten überwiegenden Teil hinausgehenden, im Vergleich zu diesem Teil kleinen, restlichen Teil an Aufhängungen befestigt ist, c) der Lichtwellenleiter spiral- oder mäanderförmig angeordnet ist und d) die Abmessungen des Lichtwellenleiters in der zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes senkrechten Querschnittsebene in der Größenordnung der Wellenlänge des vom Lichtwellenleiter geführten Lichts liegen.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Wellenlänge im Infrarotbereich liegt.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtführende Bereich des Lichtwellenleiters aus einkristallinem Silizium beseht.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter als strukturiertes Dünnschichtsystem realisiert ist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des lichtführenden Bereichs des Lichtwellenleiters eine kombinierte Auswahl der Materialien Si, Al2O3, TiO2, Si3N4 und SiO2 verwendet ist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter zur Erhöhung der evaneszenten Feldkonzentration eine Rippenstruktur aufweist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der einzelnen Rippen der Rippenstruktur und die Abstände von jeweils benachbarten Rippen so ausgebildet sind und der Brechungsindex des lichtführenden Bereichs des Lichtwellenleiters im Vergleich zum Brechungsindex der ihn umgebenden Gasatmosphäre so hoch gewählt ist, dass der Lichtwellenleiter nur wenige Moden führt oder monomodig ist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rippen durch Querstege miteinander verbunden sind.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängungen Verjüngungen zum Lichtwellenleiter hin aufweisen.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter als Kammstruktur ausgebildet ist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter eine Überzugsschicht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als der des lichtführenden Bereichs des Lichtwellenleiters aufweist, deren Dicke dünn im Vergleich zur Breite der Rippen oder zu den oben genannten Abständen ist.
- Miniaturisierter optischer Evaneszent-Feld-Sensor nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überzugsschicht aus Silizium besteht.
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|---|---|---|---|---|
| DE102018114969A1 (de) | 2018-06-21 | 2019-12-24 | Stiftung für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm (ILM) | Verfahren und Vorrichtung zur Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter |
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