Suchen

Neuer Sensor-Prototyp Chemischer Sensor misst Zusammensetzung von Flüssigkeiten

| Redakteur: Tobias Hüser

An der TU Wien ist es Wissenschaftlern gelungen, mit miniaturisierter Lasertechnik auf einem wenige Millimeter großen Chip einen Sensor zu bauen, der die chemische Zusammensetzung von Flüssigkeiten messen kann.

Firmen zum Thema

Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung mithilfe des Chips zu bestimmen.
Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung mithilfe des Chips zu bestimmen.
(Bild: TU Wien)

Wien – Man kann sie nicht sehen, aber sie eignen sich perfekt zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen: Laserstrahlen im Infrarotbereich werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Dieser Effekt wird beispielsweise bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in Blut verwendet. An der TU Wien hat man dieses einfache Prinzip aufgegriffen und auf dieser Basis einen neuen Sensor-Prototyp realisiert.

Speziell designte Quantenkaskaden-Laser und Lichtdetektoren werden an der TU Wien im selben Herstellungsprozess auf einem Chip gefertigt. Der Abstand zwischen Laser und Detektor beträgt nur 50 Mikrometer. Dieser wird mit einem sogenannten Oberflächenplasmonen-Wellenleiter aus Gold und Siliziumnitrid überbrückt. Dieser neue Ansatz ermöglicht die einfache und kostengünstige Produktion winziger Flüssigkeitssensoren für verschiedenste Einsatzzwecke.

Laser und Detektor auf einem Chip

Gewöhnliche Kristall-Laser, etwa der bekannte rote Rubinlaser, bestehen aus nur einem bestimmten Material. Quantenkaskaden-Laser hingegen sind aus einer perfekt optimierten Abfolge unterschiedlicher Materialschichten zusammengesetzt. Dadurch kann man wichtige Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts. Wenn man an die künstlich erzeugte Schichtstruktur eine elektrische Spannung anlegt, beginnt der Laser zu leuchten. Man kann die Schichtstruktur allerdings auch in umgekehrter Richtung als Detektor verwenden: Wenn man sie mit Licht bestrahlt, entsteht ein elektrisches Signal.

An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, aus derselben Schichtfolge einen Laser und einen Detektor gleichzeitig auf einem Chip herzustellen – und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes genau der Wellenlänge des Detektors entspricht. Dieses bifunktionale Material wird am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der TU Wien Atomlage für Atomlage mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. "Durch die gemeinsame Fertigung muss man den Laser und den Detektor nicht justieren – sie sind von Anfang an auf dem selben Chip optimal platziert", sagt Benedikt Schwarz vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien.

Licht-Führung vom Laser zum Detektor

Bei herkömmlichen optischen Systemen muss das erzeugte Laserlicht mit Hilfe genau justierter Linsen zum Detektor geführt werden. Auch Glasfasern können verwendet werden, allerdings transportieren sie das Licht normalerweise bloß in ihrem Inneren, bringen es also nicht in Kontakt mit der Umgebung und eignen sich dann auch nicht als Sensoren.

(ID:42720639)