DFG: Gasspektrometer Thema „Mobiles emissionsbasiertes Mikrospektrometer zur Analyse unbekannter gasförmiger Substanzen“

Ein neuartiges mobiles emissionsbasiertes Mikrospektrometer zu Analyse gasförmiger Substanzen ist Gegenstand dieses Projektes. Anders als bei konventionellen Gassensoren, welche in der Regel auf die Konzentrationsmessung vorab spezifizierter Gase beschränkt sind, kann das aufzubauende System, Gase gänzlich unbekannter Zusammensetzungen analysieren und die Konzentration der enthaltenen Bestandteile bestimmen. Das Herzstück des Spektrometers bildet ein Split Ring Resonator, welcher mit ca. 2.5 GHz angeregt wird. Im Spalt dieses Bauteils zündet bei ausreichend großer eingekoppelter Leistung ein Atmosphärendruckplasma, welches gleichzeitig als Emissionsquelle für das nachgelagerte Mikrospektrometer dient. Das vom Plasma emittierte Licht wird von dielektrischen Einkoppelstrukturen eingefangen und in einen Lichtwellenleiter zum Spektrometer transportiert. Das Spektrometer selbst arbeitet „In Plane“ und besteht aus verschiedenen Spalten in einem Siliziumnitrid-Lichtwellenleiter. Diese Spalte mit einem Abstand von teils weniger als 100 nm fungieren als Fabry-Pérot-Interferometer (FPI). Die Spaltabstände können mittels elektrostatischer Kammantriebe in ihrer Breite variiert werden können, wodurch die Transmissionswellenlänge des Spektrometers durchgestimmt werden kann. Auf diese Weise wird das eingeleitete Licht aus dem Plasma in seine spektralen Bestandteile zerlegt und deren Intensitäten mit einem nachgelagerten Dünnfilmdetektor gemessen. Mittels einer piezoelektrisch aktuierten Mikropumpe wird der gasförmige Analyt angesaugt und in den Split Ring Resonator geleitet. Ziel des Projektes ist die vollständige Umsetzung aller Komponenten in Siliziumtechnologie und deren Kombination mittels etablierter Fügeverfahren. Darüber hinaus soll eine batteriegetriebene Ansteuer- und Auswerteelektronik entworfen werden. Das System soll letztlich die Größe eines Digitalmultimeters nicht überschreiten und als Handheld-Analysesystem in der Abgasanalyse, der Umwelttechnik und im Sicherheits- und Arbeitsschutzbereich Anwendung finden.