Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Erster optischer Gassensor aus reinem Metamaterial

03.09.2019

Alexander Lochbaum, ETH Zurich

Der miniaturisierte optische Ganzmetamaterial-Gassensor (goldene Kapsel) neben einer Ein-Cent-Münze.

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.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • optische Sensoren
  • Kohlendioxid Messgeräte
Mehr über ETH Zürich
  • News

    Glas aus dem 3D-Drucker

    ETH-​Forscher stellten mithilfe eines 3D-​Druckverfahrens komplexe und hochporöse Glasobjekte her. Die Grundlage dafür ist ein spezielles Harz, das sich mit UV-​Licht härten lässt. Glasobjekte mit einem 3D-​Druckverfahren herzustellen, ist nicht einfach. Erst wenige Forschungsgruppen weltwe ... mehr

    Veränderungen der Chiralität von Molekülen in Echtzeit beobachten

    Chirale Moleküle – Verbindungen, die als Bild und Spiegelbild vorkommen – spielen eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen und in der chemischen Synthese. Chemikern der ETH Zürich ist es nun erstmals gelungen, mit Hilfe von Ultrakurzzeit-​Laserpulsen Änderungen der Chiralität während e ... mehr

    Magnesiumlegierungen beim Korrodieren zusehen

    Erstmals konnten ETH-​Forscher die Korrosion von Magnesiumlegierungen für biomedizinische Anwendungen auf der Nanoskala beobachten. Dies ist ein wichtiger Schritt, um bessere Vorhersagen darüber zu treffen, wie schnell Implantate im Körper abgebaut werden und so massgeschneiderte Implantatw ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.