Mobiles emissionsbasiertes Mikrospektrometer zur Analyse unbekannter gasförmiger Substanzen

Abstract

Ziel dieses Vorhabens war die Untersuchung neuer physikalischer und technologischer Ansätze zur starken Miniaturisierung von Gasmessgeräten. Konventionelle Gassensoren sind in ihrer Selektivität begrenzt, während optische Spektrometer zwar sehr breitbandig, jedoch für mobile Anwendungen zu groß sind. Daher wurde untersucht, ob sich Gase auf Chip-Ebene mittels Mikroplasma zur Lichtemission anregen lassen und ob dieses Licht mit integrierter Optik basierend auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) spektral analysiert werden kann. Das Projekt umfasste drei Kernkomponenten: eine Mikropumpe für den Gastransport, eine Mikroplasma-Lichtquelle sowie einen abstimmbaren optischen Filter, die langfristig zu einem kompakten Gasanalysegerät kombiniert werden sollen. Die entwickelte siliziumbasierte Mikropumpe lieferte wesentliche Erkenntnisse zur Leistungsfähigkeit miniaturisierter Fördersysteme. Durch ein optimiertes Design konnte die Resonanzfrequenz des MEMS-Piston-Modes von 500 Hz auf 9760 Hz gesteigert werden. Dadurch wurden bei Atmosphärendruck Volumenströme von etwa 5 mm3/s erreicht und die ursprünglich an- gestrebten Förderleistungen deutlich übertroffen. Hochauflösend stereolithographisch gefertigte Strukturen fungieren dabei als Ventile ohne bewegliche Teile und versprechen einen robusten, langlebigen Betrieb. Die Mikroplasmaquelle basierte auf Split-Ring-Resonatoren (SRR) mit Durchmessern unter 10 mm, die bei etwa 2,5 GHz eine starke elektrische Feldüberhöhung im Spalt erzeugen. Mit in Reinraumtechnik hergestellten Silizium-SRR konnten Plasmen mit weniger als 2,5 W gezündet und bei etwa 1 W betrieben werden. Das Plasmavolumen war jedoch größer als erwartet, trat überwiegend oberhalb des Spalts auf und ließ sich nur bei reduziertem Druck (≈ 500 Pa) 1 stabil betreiben. Thermische Effekte führten zu Resonanzverschiebungen und Instabilitäten, die in einem Folgeprojekt weiter untersucht werden sollen. Für die spektrale Analyse wurde ein extrem kompakter In-Plane-Fabry-Pérot-Filter auf MEMS- Basis untersucht. Dabei zeigte sich eine grundlegende physikalische Grenze dieses Ansatzes im sichtbaren Spektralbereich: Die laterale Lichtführung über bewegliche optische Elemente mit sehr kleinen Abmessungen unterhalb von 2 µm führt zu hohen Verlusten und stark nichtlinearem Übertragungsverhalten. Beugung und Streuung dominieren, sodass der in-plane Ansatz gegenüber etablierten out-of-plane Konzepten nicht zielführend ist. Insgesamt zeigt das Projekt, dass eine starke Miniaturisierung spektral arbeitender Gassensoren prinzipiell möglich ist, jedoch bei Plasmaerzeugung und Lichtfilterung an fundamentale physikalische Grenzen stößt. Die Ergebnisse liefern wichtige Leitlinien für zukünftige Entwicklungen tragbarer emissionsbasierter Gasspektrometer und für die weitere Forschung zur stabilen Regelung von Mikroplasmen. The aim of this project was to investigate new physical and technological approaches for strong miniaturization of gas measuring devices. Conventional gas sensors are limited in their selectivity, while optical spectrometers have a higher bandwidth but are too large for mobile applications. The project therefore examined whether gases can be excited to emit light at chip level using microplasma, and whether this light can be spectrally analyzed with integrated optics based on a microelectromechanical system (MEMS). The project comprised three core components: a micropump for gas transport, a microplasma light source, and a tunable optical filter, which are ultimately to be combined into a compact gas analysis device. The silicon-based micropump that was developed provided key insights into the performance of miniaturized delivery systems. Through an optimized design, the resonance frequency of the MEMS piston mode was increased from 500 Hz to 9,760 Hz. As a result, volumetric flow rates of about 5 mm³/s were achieved at atmospheric pressure, clearly surpassing the originally targeted delivery performance. High-resolution structures produced by stereolithography act as valves without moving parts and promise robust, long-lasting operation. The microplasma source was based on split-ring resonators (SRR) with diameters below 10 mm, which generate a strong electric field enhancement in the gap at around 2.5 GHz. Using silicon SRRs fabricated in cleanroom technology, plasmas could be ignited with less than 2.5 W and operated at about 1 W. However, the plasma volume was larger than expected, occurred predominantly above the gap, and could only be operated stably at reduced pressure (≈ 500 Pa). Thermal effects led to resonance shifts and instabilities that are to be investigated further in a follow-up project. For spectral analysis, an extremely compact in-plane Fabry–Pérot filter based on MEMS technology was investigated. A fundamental physical limitation of this approach in the visible spectral range became apparent: lateral light guiding via movable optical elements with very small dimensions below 2 µm leads to high losses and a strongly nonlinear transmission behavior. Diffraction and scattering dominate, meaning that the in-plane approach is not promising compared to established out-of-plane concepts.