03.09.2019 - The Optical Society

Erster optischer Gassensor aus reinem Metamaterial

Forscher haben den ersten vollintegrierten, nicht-dispersiven Infrarot-Gassensor (NDIR) entwickelt, der durch speziell entwickelte synthetische Materialien, so genannte Metamaterialien, ermöglicht wird. Der Sensor hat keine beweglichen Teile, benötigt wenig Energie für den Betrieb und gehört zu den kleinsten NDIR-Sensoren, die jemals entwickelt wurden.

Der Sensor ist ideal für neue Internet of Things und Smart-Home Geräte, die entwickelt wurden, um Veränderungen in der Umgebung zu erkennen und darauf zu reagieren. Es könnte auch in zukünftigen medizinischen Diagnose- und Überwachungsgeräten Verwendung finden.

Ein Papier, in dem diese Ergebnisse erläutert werden, wird auf der Konferenz Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS) vorgestellt, die vom 15. bis 19. September in Washington, D.C., USA, stattfindet.

"Unser Sensordesign vereint Einfachheit, Robustheit und Effizienz. Mit Hilfe von Metamaterialien können wir einen der Hauptkostentreiber bei NDIR-Gassensoren, den dielektrischen Filter, weglassen und gleichzeitig Größe und Energieverbrauch des Gerätes reduzieren", sagt Alexander Lochbaum vom Institut für Elektromagnetische Felder der ETH Zürich, Schweiz, und Hauptautor auf dem Papier. "Das macht die Sensoren für volumenstarke und kostengünstige Märkte wie die Automobil- und Unterhaltungselektronik nutzbar."

NDIR-Sensoren gehören zu den kommerziell relevantesten Arten von optischen Gassensoren, die zur Beurteilung von Fahrzeugabgasen, zur Messung der Luftqualität, zur Erkennung von Gaslecks und zur Unterstützung einer Vielzahl von medizinischen, industriellen und Forschungsanwendungen eingesetzt werden. Die geringe Größe, die potenziell niedrigen Kosten und der reduzierte Energiebedarf des neuen Sensors eröffnen neue Möglichkeiten für diese und andere Arten von Anwendungen.

Schrumpfen des optischen Pfades

Herkömmliche NDIR-Sensoren arbeiten, indem sie Infrarotlicht durch Luft in einer Kammer strahlen, bis es einen Detektor erreicht. Ein vor dem Detektor positionierter optischer Filter eliminiert alles Licht mit Ausnahme der Wellenlänge, die von einem bestimmten Gasmolekül absorbiert wird, so dass die in den Detektor eintretende Lichtmenge die Konzentration dieses Gases in der Luft anzeigt. Obwohl die meisten NDIR-Sensoren Kohlendioxid messen, können verschiedene optische Filter verwendet werden, um einen großen Bereich anderer Gase zu messen.

In den letzten Jahren haben die Ingenieure die herkömmliche Infrarot-Lichtquelle und den Detektor durch die MEMS-Technologie (Micro Electro Electromechanical Systems) ersetzt, winzige Komponenten, die eine Brücke zwischen mechanischen und elektrischen Signalen schlagen. In der neuen Arbeit integrieren die Forscher Metamaterialien auf einer MEMS-Plattform, um den NDIR-Sensor weiter zu miniaturisieren und die optische Weglänge dramatisch zu erhöhen.

Der Schlüssel zum Design ist eine Art Metamaterial, bekannt als Metamaterial Perfect Absorber (MPA), das aus einer komplexen Schichtanordnung aus Kupfer und Aluminiumoxid besteht. Aufgrund seiner Struktur kann MPA Licht aus jedem Winkel absorbieren. Um dies zu nutzen, entwickelten die Forscher eine multi-reflektierende Zelle, die das Infrarotlicht durch mehrfache Reflexion "faltet". Mit dieser Konstruktion konnte ein etwa 50 Millimeter langer Lichtabsorptionspfad in einen nur 5,7 × 5,7 × 5,7 × 4,5 Millimeter großen Raum gepresst werden.

Während herkömmliche NDIR-Sensoren Licht benötigen, um Gas in sehr niedrigen Konzentrationen zu erfassen, optimiert das neue Design die Lichtreflexion, um die gleiche Empfindlichkeit in einem etwas über einen halben Zentimeter langen Hohlraum zu erreichen.

Ein einfacher, robuster und kostengünstiger Sensor

Durch die Verwendung von Metamaterialien für eine effiziente Filterung und Absorption ist das neue Design sowohl einfacher als auch robuster als bestehende Sensorkonstruktionen. Seine Hauptbestandteile sind ein thermischer Metamaterialstrahler, eine Absorptionszelle und ein Thermopile-Detektor für Metamaterial. Ein Mikrocontroller erwärmt die Heizplatte periodisch, so dass der thermische Metamaterialstrahler Infrarotlicht erzeugt. Das Licht durchläuft die Absorptionszelle und wird von der Thermosäule erfasst. Der Mikrocontroller sammelt dann das elektronische Signal von der Thermosäule und leitet die Daten an einen Computer weiter.

Der Primärenergiebedarf ergibt sich aus der Leistung, die zur Erwärmung des thermischen Strahlers benötigt wird. Dank der hohen Effizienz des im thermischen Emitter verwendeten Metamaterials arbeitet das System bei deutlich niedrigeren Temperaturen als bisherige Konstruktionen, so dass für jede Messung weniger Energie benötigt wird.

Die Forscher testeten die Empfindlichkeit des Geräts, indem sie damit unterschiedliche Konzentrationen von Kohlendioxid in einer kontrollierten Atmosphäre messen konnten. Sie zeigten, dass sie Kohlendioxidkonzentrationen mit einer rauschbegrenzten Auflösung von 23,3 ppm nachweisen können, was einem Niveau entspricht, das mit handelsüblichen Systemen vergleichbar ist. Dazu benötigte der Sensor jedoch nur 58,6 Millijoule Energie pro Messung, was einer Fünffachreduktion gegenüber handelsüblichen thermischen NDIR-Kohlendioxid-Sensoren mit geringer Leistung entspricht.

"Erstmals realisieren wir einen integrierten NDIR-Sensor, der ausschließlich auf Metamaterialien für die Spektralfilterung setzt. Die Anwendung der Metamaterialtechnologie für die NDIR-Gasmessung ermöglicht es uns, das optische Design unseres Sensors grundlegend zu überdenken, was zu einem kompakteren und robusteren Gerät führt", sagt Lochbaum.

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