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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Detektion von Gaskomponenten oder einer Konzentration einer Gaskomponente in einem zu untersuchendem Gas, ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung und ein System zur selektiven Detektion von mindestens zwei Gaskomponenten oder von Konzentrationen von mindestens zwei Gaskomponenten in einem zu untersuchendem Gas.
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Insbesondere innerhalb geschlossener Räume hat die Detektion von Gasen in der Umwelt eine hohe Bedeutung erlangt. Ist die Konzentration von Gaskomponenten, wie z. B. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan oder Wasserdampf bekannt, kann frühzeitig vor Gefahren gewarnt werden, es lassen sich daraus z. B. aber auch Schlussfolgerungen für die Belüftung von Räumen ziehen. Derartige Konzepte sind für zukünftige Gebäudeausstattungen von zunehmender Bedeutung, weil sie hohes Energiesparpotenzial bergen und komfortableres und Ressourcen schonenderes Wohnen und Arbeiten ermöglichen.
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Zur selektiven und gezielten Detektion von Gaskomponenten oder einer Konzentration einer Gaskomponente in einem zu analysierenden Gas werden Sensorelemente – im folgenden als Gassensoren bezeichnet – eingesetzt, welche die Konzentration von ein oder mehreren Gasen detektieren können. Bei solchen Gassensoren kommt es neben der Größe auch entscheidend auf den Energieverbrauch an, da solche Sensorelemente häufig auch energieautark betrieben werden sollen, d. h. ihre Energie aus der kinetischer Energie, Wärme- und/oder Strahlungsenergie der Umwelt beziehen sollen.
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Für Gassensoren sind eine Vielzahl von Messprinzipien wie z. B. resistive, kapazitive, thermische, amperometrische, gravimetrische, biochemische oder optische Messungen, bekannt. Optische Gassensoren beruhen dabei häufig auf dem Prinzip der Absorptionsmessung, d. h. auf der Tatsache, dass die Gase im Infrarotbereich in spezifischen Frequenzbereichen bzw. bei spezifischen Wellenlängen Licht absorbieren. Dies macht an sich zu nutze, indem das Licht einer Quelle mit der spezifischen Wellenlänge durch eine Teststrecke geschickt wird, wobei die Lichtschwächung infolge Absorption im Anschluss über einen Sensor, z. B. photometrisch oder thermoelektrisch, ausgewertet wird. Um Quereffekte zu minimieren, nutzt man häufig eine zweite Referenzstrecke, z. B. in Form einer Referenz-Küvette, in welcher die Absorption der zu detektierenden Gaskomponente nicht erwartet wird.
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Nachteilig an derartigen Gassensoren ist aber, dass zur Realisierung entsprechender Nachweisempfindlichkeiten sehr große räumliche Ausdehnungen (einige cm bis einige 10 cm) erforderlich sind.
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Eine alternative Form der Gasdetektion über optische Absorption ist durch den Einsatz photonischer Kristalle möglich. Photonische Kristalle sind periodisch strukturierte dielektrische Materialien, welche das optische Analogon von Halbleiterkristallen darstellen und so die Herstellung integrierter photonischer Schaltkreise ermöglichen. Photonische Kristalle können nach ihrer Dimensionalität klassifiziert werden. So unterscheidet man eindimensionale (1D), zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) photonische Kristalle je nach Anzahl der Raumrichtungen mit periodischem Brechungsindex. Herkömmliche Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren.
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Aus der
DE 10 2005 008 077 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden mit einem thermischen Strahler im infraroten Spektralbereich bekannt. Der Strahler weist dabei einen photonischen Kristall auf und erzeugt die Strahlung durch lokale Temperaturänderung eines Teilbereichs des photonischen Kristalls. Dazu wird in die Poren des photonischen Kristalls magnetisch und/oder elektrisch leitfähiges Material eingebracht oder die Poren werden mit magnetisch und/oder elektrisch leitfähigem Material beschichtet. Die lokale Temperaturveränderung wird dann mittels einer induktiven und/oder resistiven Heizung des Teilbereichs des photonischen Kristalls erzeugt. Der photonische Kristall ist dabei derart ausgebildet, dass die vom Strahler emittierte Strahlung nur für einen definierten engen Wellenlängenbereich weitergeleitet wird. Zur Detektion des Gases ist eine Einrichtung zur Regelung und/oder Messung einer Heizleistung des Strahlers vorgesehen, wobei eine Strahlertemperatur bei fester Heizleistung messbar ist oder der Strahler auf eine konstante Strahlentemperatur geregelt und die hierzu notwendige Heizleistung bestimmbar ist.
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Als Grundmaterial des photonischen Kristalls dient dabei Silizium. Dieses weist jedoch einen sehr schlechten Reflexionsfaktor auf, was die Güte des Resonators erheblich einschränkt. Die damit erzielbaren Detektionsergebnisse sind nicht immer zufrieden stellend. Außerdem stellt das Auffüllen oder Beschichten der Poren mit einem magnetisch und/oder elektrisch leitfähigen Material einen zusätzlichen Arbeitsschritt bei der Herstellung des Gassensors dar, welcher mit zusätzlichem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden ist. Das Auffüllen der Poren führt auch dazu, dass die Kristallstruktur nur noch an ihrer Stirnseite mit dem zu untersuchendem Gas in Wechselwirkung treten kann, was die Empfindlichkeit des Gassensors stark einschränkt. Dieser Nachteil kann zwar durch die Beschichtung der Poren umgangen werden. Die Beschichtung hat aber wiederum den Nachteil, dass dazu die Durchmesser und die Abstände der stehenbleibenden Siliziumsäulen aus verfahrenstechnischen Gründen ein gewisses Mindestmaß nicht unterschreiten dürfen, was dazu führt, dass der Miniaturisierung des Gassensors erhebliche Grenzen gesetzt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur selektiven Detektion einer Gaskomponente oder einer Konzentration einer Gaskomponente in einem zu untersuchendem Gas anzugeben, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist und bei geringem Platz- und Energiebedarf zu präzisen und zuverlässigen Detektionsergebnissen führt. Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und zuverlässiges Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung anzugeben. Außerdem soll durch die Erfindung ein System angegeben werden, welches bei geringem Platz- und Energiebedarf auch die einfache und zuverlässige Detektion von mindestens zwei Gaskomponenten oder von Konzentrationen von mindestens zwei Gaskomponenten in einem zu untersuchendem Gas ermöglicht.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur selektiven Detektion einer Gaskomponente oder einer Konzentration einer Gaskomponente in einem zu untersuchendem Gas mit einem photonischen Kristall, der eine periodisch angeordnete Struktur aus freistehenden Säulen aufweist, deren Grundmaterial mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung ist, wobei Zwischenräume zwischen den Säulen einen Durchtritt des zu untersuchenden Gases erlauben. Der photonische Kristall weist dabei vordefinierte Störstellen, z. B. in Form von Punktdefekten, ausgelassenen Einzelelementen, Reihen oder Flächen, in Form von kleineren oder größeren Einzelelementen oder auch in Form von zu Wänden verbundenen Säulen, auf, durch welche zumindest ein Resonator ausgebildet ist. Die Resonanzfrequenz des Resonators liegt dabei in einem Frequenzbereich, welcher durch die zu detektierende Gaskomponente absorbiert wird. Zum Aufheizen zumindest eines Teils der Säulen ist eine Heizeinrichtung vorgesehen und zum Auskoppeln der im beheizten Zustand unter Einwirkung des zu untersuchenden Gases im Resonator befindlichen Energie wird mindestens ein Detektorelement eingesetzt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für eine derartige Vorrichtung wird die Vorrichtung dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt, zumindest ein Teil der Säulen des photonischen Kristalls geheizt, die im Resonator befindliche Energie über das Detektorelement ausgekoppelt und die Existenz einer Gaskomponente und/oder deren Konzentration in Abhängigkeit von der ausgekoppelten Energie detektiert.
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Die Erfindung nutzt das Prinzip eines offenen Resonators, der mit der zu detektierenden Gaskomponente in Wechselwirkung steht. Der Grundgedanke ist, die Resonatoreigenschaften durch die zu detektierende Gaskomponente zu verändern und diese Veränderung zu messen. Ist die Gaskomponente nicht oder nur in sehr geringer Konzentration vorhanden, erfolgt eine geringe Absorption in der Gasstrecke des Resonators und der Resonator enthält eine sehr hohe Dichte der Strahlungsenergie (ungestörter Resonator). Weist das zu untersuchende und auf den offenen Resonator wirkende Gas die zu detektierende Gaskomponente aber in höherer Konzentration auf, so führt die Strahlungsabsorption im Resonator zu einer Reduktion der Energiedichte (gestörter/beeinflusster Resonator). Über die Messung der Energiedichte des Resonators kann somit auf die Konzentration der Gaskomponente rückgeschlossen werden. Um zuverlässige Detektionsergebnisse zu erhalten ist es aber notwendig, dass der Resonator sehr frequenz-selektiv arbeitet und eine sehr hohe Güte aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass als Grundmaterial der Säulenstruktur des photonischen Kristalls mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt wird und die Zwischenräume zwischen den Säulen einen Durchtritt des zu untersuchenden Gases erlauben. Metalle oder Metalllegierungen haben z. B. gegenüber Silizium den großen Vorteil, dass sie deutlich bessere Reflexionskoeffizienten aufweisen und daher die Ausbildung von Resonatoren mit deutlich höherer Güte ermöglichen. Derartige photonische Kristalle mit freistehenden Säulen, deren Grundmaterial ein Metall oder eine Metalllegierung ist, sind z. B. durch ein Verfahren herstellbar, welches in der älteren Anmeldung
DE 10 2010 020 788.8 beschrieben ist, welche zum Zwecke der Offenbarung vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
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Da die in dem Resonator zu detektierenden Wellenlängen nur im mm-Bereich liegen, kann der Resonator und damit auch die erfindungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich ihrer räumlichen Abmessungen sehr klein (im Bereich von 1 mm3) ausgeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat auch einen äußerst geringen Energiebedarf, da nur ein Bruchteil der durch das Heizen des photonischen Kristalls erzeugten thermischen Strahlung sich in Form von Lichtwellen in dem Resonator ausbreiten kann.
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Werden Poren erzeugt, welche einen sich ändernden, insbesondere periodisch ändernden, Durchmesser aufweisen, was das gemäß der älteren Anmeldung
DE 10 2010 020 788.8 eingesetzte photoelektrochemische Ätzverfahren zulässt, so entsteht letztendlich eine säulenförmige Struktur, bei welchem die einzelnen Säulen einen sich ändernden Säulendurchmesser aufweisen. Eine derartige Struktur kann bei geeigneter Materialwahl sowie Dimensionierung von Durchmessern und Abständen als dreidimensionaler photonischer Kristall genutzt werden. Die Erfindung ist jedoch ebenso mit zweidimensionalen photonischen Kristallen einsetzbar, welche durch Säulen mit einem gleichmäßigen Durchmesser realisierbar sind.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung haben die Säulen ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer 100, weisen einen minimalen Säulendurchmesser von 0,3 μm auf und/oder weisen einen Durchmesser der Säulen auf, welcher sich periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 ändert, das heißt, die Säulen haben einen maximalen Durchmesser, welcher mehr als dreimal so groß ist wird der minimale Durchmesser der Säulen.
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Die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls können auch dadurch gezielt beeinflusst werden, dass die Säulen neben dem Grundmaterial aus mindestens einem weiteren Material bestehen, wobei das Grundmaterial und das weitere Material eine vordefinierte Struktur haben und wobei als weiteres Material insbesondere Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Kunststoffe und/oder Oxide, insbesondere thermische Oxide, und/oder Nitride dienen.
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Für die Detektion der Strahlung im Resonator oder deren Änderung infolge äußerer Einflüsse eignen sich verschiedene Methoden des Einbringens von Detektorelementen in den Resonator. Wichtig dabei ist, dass der Resonator durch das Einbringen von Detektorelementen nicht zu stark bedämpft wird, um eine innere Verstärkung nicht zu zerstören. Gemäß einer bevorzugten sehr einfach realisierbaren Ausführungsform der Erfindung wird das mindestens eine Detektorelement durch mindestens eine nicht geheizte Säule des photonischen Kristalls gebildet, da dadurch die geometrische Resonatorstruktur nur unerheblich gestört wird.
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Um eine möglichst effiziente Auskopplung der im Resonator befindlichen Energie zu ermöglichen, kann die mindestens eine nicht geheizte und als Detektorelement dienende Säule im Randbereich des Resonators angeordnet sein.
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Vorteilhaft wird das mindestens eine Detektorelement durch mindestens zwei nicht geheizte, neutrale Säulen des photonischen Kristalls gebildet. Die mindestens zwei nicht geheizten Säulen können dann elektrisch zu einer Messschleife verbunden werden. Nutzt man die Temperaturabhängigkeit der inneren Materialeigenschaften der Säulen in dieser Messschleife, so kann auf den Energieübertrag rückgeschlossen werden. Da die neutralen Säulen des Detektorelements nicht aktiv thermisch geheizt werden, kann man mit Hilfe der Energieübertragung vom Resonator auf das Detektorelement Schlussfolgerungen über die Gaskonzentration treffen. Dabei deutet eine hohe Temperatur auf eine geringe Konzentration der zu detektierenden Gaskomponente hin und umgekehrt.
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Zur Bestimmung des Temperatureinflusses sind verschiedene Messprinzipien denkbar. So kann eine Widerstandsmessung eingesetzt werden, wobei die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes der geschlossenen Leiterschleife ausgenutzt wird. Die mindestens zwei Säulen des Detektorelements können auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In diesem Fall kann alternativ auch eine Thermo-Spannungs-Messung erfolgen. Dabei wird eine Thermokraft gemessen, welche sich bei Temperaturunterschieden zwischen dem offenen und dem geschlossenen Ende der Messschleife ergibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der photonische Kristall weitere vordefinierte Störstellen auf, durch welche zumindest ein Referenz-Resonator ausgebildet ist, dessen Resonanzfrequenz in einem Frequenzbereich liegt, welcher durch die zu detektierende Gaskomponente nicht absorbiert wird. Auf diese kann ein Referenzkanal erzeugt werden, welcher es ermöglicht Quereffekte zu minimieren.
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Viele Eigenschaften photonischer Kristalle lassen sich über einfache Geometrierelationen skalieren. Demgemäß ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Resonanzfrequenz des/der Resonators/Resonatoren durch das Verhältnis von Durchmesser der Säulen zu deren Abstand voneinander einzustellen. Da die einzelnen Strukturelemente des photonischen Kristalls sehr exakt, z. B. mittels Fotolithografie, definiert werden können, ist dies eine sehr geeignete Methode der Abstimmung des Resonators auf die zu detektierende Gaskomponente.
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Die der Erfindung zugrunde liegende dritte Aufgabe wird durch ein System zur selektiven Detektion von mindestens zwei Gaskomponenten oder von Konzentrationen von mindestens zwei Gaskomponenten in einem zu untersuchendem Gas mit einem photonischen Kristall gelöst. Der photonische Kristall, welcher zwei- oder dreidimensional ausgeführt sein kann, weist dabei eine periodisch angeordnete Struktur aus freistehenden Säulen auf, deren Grundmaterial mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung ist, wobei Zwischenräume zwischen den Säulen einen Durchtritt des zu untersuchenden Gases erlauben. Außerdem weist der photonische Kristall vordefinierte Störstellen auf, durch welche zumindest zwei Resonatoren ausgebildet sind, deren Resonanzfrequenzen in einem Frequenzbereich liegen, welcher jeweils durch eine der zu detektierenden Gaskomponenten absorbiert wird. Mit Hilfe einer Heizeinrichtung kann zumindest ein Teil der Säulen geheizt werden. Außerdem ist mindestens ein Detektorelement für jeden der Resonatoren vorgesehen, durch welche die im beheizten Zustand unter Einwirkung des zu untersuchenden Gases in dem jeweiligen Resonator befindliche Energie ausgekoppelt werden kann.
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Die Erfindung erlaubt es damit, dass eine Vielzahl von Resonatoren mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz in einem Feld nebeneinander liegen und damit ein beliebiger Teil des gesamten Infrarot-Spektrums abgedeckt werden kann, so dass durch das erfindungsgemäße System beliebige Gaskomponenten detektierbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche in folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1,
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3 eine schematische Schnitt-Darstellung der Vorrichtung gemäß 1,
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4 eine schematische Darstellung eines ”strahlenden” photonischen Kristalls,
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5 eine schematische Darstellung einer Feldstärkeverteilung bei dem ”strahlenden” photonischen Kristall gemäß 4,
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6 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Erzeugen von Poren mit sich periodisch veränderndem Durchmesser in einem Substrat,
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7 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren,
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8 eine schematische Schnitt-Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials,
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9 eine schematische perspektivische Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß 8.
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In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die
1 bis
3 zeigen schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem zweidimensionalen photonischen Kristall
1, welcher eine periodisch angeordnete Struktur aus freistehenden Säulen
2 aufweist, welche auf einem Träger
3, z. B. ein Siliziumträger, angeordnet ist. Das Grundmaterial der Säulen ist ein Metall oder eine Metalllegierung. Ein derartiger photonischer Kristall
1 kann beispielweise durch das in der älteren Anmeldung
DE 10 2010 020 788.8 beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt werden. In einem zentralen Bereich weist der photonische Kristall
1 vordefinierte Störstellen in Form einer fehlenden Reihe von Säulen
2 auf. Durch diese Störstellen bildet sich ein Resonator
4 aus. Wird ein Energiespektrum unterschiedlicher Frequenzen in den Resonator
4 eingebracht, so können je nach Geometrie des Resonators
4 sowie Material der Säulen
2 nur einige wenige Moden anschwingen und sich je nach der Dämpfung innerhalb des Resonators
4 „aufschaukeln”. Auf diese Weise wird eine elektromagnetische Strahlung einer entsprechend der Geometrie in Resonanz befindlichen Wellenlänge (Resonanzfrequenz) im Resonator
4 vervielfacht.
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Die Säulen 2' des photonischen Kristalls, welche den Resonator 4 in den Ausbreitungsrichtungen der elektromagnetischen Strahlung begrenzen, dienen dabei als Reflektoren. Insofern beeinflusst insbesondere das Material der Säulen 2' die Güte des Resonators 4 in erheblichem Maße. Durch die Verwendung von Metallen oder Metalllegierungen, welche einen hohen Reflexionsfaktor aufweisen, ist eine hohe Güte des Resonators 4 sicher gestellt.
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Die Säulen 2 können neben dem Grundmaterial auch aus mindestens einem weiteren Material bestehen, wobei das Grundmaterial und das weitere Material eine vordefinierte Struktur haben und wobei als zweites Material insbesondere Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Kunststoffe und/oder Oxide, insbesondere thermische Oxide, und/oder Nitride dienen. Letztendlich entscheiden die gewünschten optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls 1 und insbesondere des Resonators 3 über das/die konkret verwendete(n) Füllmaterial(ein) und ggf. die konkrete Struktur der Säulen 2.
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Die Geometrie des Resonators 4 und damit die Resonanzfrequenz werden im Wesentlichen durch den Durchmesser und den Abstand der Säulen 2 zueinander bestimmt. Material, Durchmesser und Abstand der Säulen können demzufolge so aufeinander abgestimmt werden, dass die Resonanzfrequenz des Resonators in einem Frequenzbereich liegt, welcher durch eine zu detektierende Gaskomponente absorbiert wird.
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Um elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge in den Resonator 4 einzubringen, wird zumindest ein Teil der Säulen 2 mit Hilfe einer Heizeinrichtung 5 aufgeheizt. Man spricht dabei auch von ”thermischem Pumpen” des photonischen Kristalls 1. Die Heizeinrichtung 5 kann dabei im einfachsten Fall eine in den Figuren nicht dargestellte Stromquelle umfassen, welche über elektrische Kontakte 6 und Leiterstrukturen 7 (vgl. 3) Strom in die zu heizenden Säulen 2 des photonischen Kristalls 1 einleitet. Auf diese Weise wird eine Widerstandsheizung realisiert, welche die Säulen aufheizt. Ebenso sind aber auch andere, z. B. auf Induktionsströmen basierende Heizeinrichtungen denkbar. Durch das Aufheizen werden die Säulen 2 auf eine höhere Temperatur gebracht als die Umgebung. Damit strahlt jede Säule gemäß seiner Temperatur – in der ersten Ordnung – gemäß der Planckschen Strahlungskurve Energie ab. Dies hat zur Folge, dass innerhalb des isotropen Gebiets des photonischen Kristalls 1, also außerhalb des Resonators 4, eine homogene Verteilung der elektrischen Feldstärke (100%, z. B. 1 V/m) existiert, welche außerhalb des photonischen Kristalls 1 abhängig von Form und Abstand abnimmt. Im Resonator 4 bildet sich eine sehr starke Feldüberhöhung aus, wobei Moden in Abhängigkeit von der Geometrie entstehen.
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4 zeigt den durch Aufheizen der Säulen 2 realisierten ”strahlenden” photonischen Kristall 1. In 5 ist beispielhaft eine zugehörige Verteilung der elektrischen Feldstärke E längs des Resonators 4 dargestellt. Diese ist deutlich größer als im homogenen photonischen Kristall und hängt im Wesentlichen von der Länge des Resonators 4, also im dargestellten Beispiel von der Anzahl der in Reihe fehlenden Säulen, ab. Dabei ergibt sich schon bei einzelnen fehlenden Säulen (4 bis 10) eine elektrische Feldstärke im Resonator 4, die einige hundert- bis einige tausendmal höher ist als die Feldstärke im Bereich außerhalb des Resonators 4.
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Die elektromagnetische Strahlung der gemäß Geometrie in Resonanz befindlichen Wellenlänge wird im Resonator 4 vervielfacht. Da andere Wellenlängen im photonischen Kristall 1 unterdrückt werden, schwingt der Resonator 4 nur in einem sehr engen Wellenlängenbereich. 6 zeigt eine beispielhafte relative Intensitätsverteilung der elektrischen Feldstärke (Ez-Komponente) im Resonator 4 als Funktion der Wellenlänge 1. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass das Hauptmaximum (Resonanz-Peak), hier bei ~1.38 mm, eine deutlich höhere Amplitude aufweist, als die Nebenmaxima. Dies zeigt, dass der Resonator 4 im Wesentlichen nur bei einer Frequenz, nämlich der Resonanzfrequenz, schwingt.
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Gedämpft wird der Resonator 4 lediglich durch Absorption von Strahlung an jenen Säulen, welche den Rand des Resonators 4 bilden. Diese Energie geht jedoch nicht wirklich verloren, sondern dient indirekt zur Heizung der Säulen.
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Für die Detektion der Strahlung im Resonator 4 oder deren Änderung infolge äußerer Einflüsse eignen sich verschiedene Methoden des Einbringens von Detektor-Elementen in den Resonator 4. Wichtig dabei ist, dass die Dämpfung des Resonators 4 beim Einbringen der Detektorelemente nicht zu groß wird, um die Innere Verstärkung nicht zu zerstören. Bevorzugt ist die Nutzung einer oder mehrerer Säulen als Empfänger, da dadurch die geometrische Resonatorstruktur nur unerheblich gestört wird.
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Wird an Stelle einer geheizten und damit abstrahlenden Säule eine neutrale, das heißt nicht geheizte, Säule 2'' als Detektor für die im Resonator 4 befindliche elektrische Feldstärke verwendet, so erfährt der Resonator 4 in Abhängigkeit von seiner Länge eine Dämpfung. In 7 ist die Feldstärkeverteilung eines derart gedämpften Resonators 4 dargestellt. In 8 ist beispielhaft eine zugehörige Feldstärkeverteilung längs des Resonators 4 dargestellt. Man erkennt, dass trotz der Dämpfung eine Vervielfachung der elektrischen Feldstärke um mehr als den Faktor 100 verbleibt.
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Bestimmt man die Leistung, welche in die als Detektorelement wirkenden neutralen Säulen 2'' eingekoppelt wird, mit der spektralen Dichte der Feldstärke, so ergibt sich für die auf das Detektorelement übertragene Leistung eine analoge Abhängigkeit von der Wellenlänge wie für die Intensitätsverteilung der elektrischen Feldstärke. Es ergibt sich also auch für die auf das Detektorelement übertragene Leistung ein sehr starker Peak im Resonanzfall.
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Lässt man die Geometrie des Resonators unverändert und nutzt einzelne Säulen 2'' des photonischen Kristalls 1 als Detektorelement, lässt sich folglich über den Leistungsübertrag auf diese Säulen 2'' die im Resonator 4 vorhandene Energiedichte charakterisieren. Um einen möglichst guten Leistungsübertrag zu gewährleisten ist es dabei vorteilhaft, dass die als Detektorelement dienenden Säulen 2'' im Randbereich des Resonators angeordnet sind.
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Zur Bestimmung der im Resonator 4 deponierten Energie als elektrisches Signal können z. B. zwei neutrale Säulen 2'' am offenen Ende mit Hilfe einer Leitungsverbindung 8 zu einer Messschleife verbunden werden (vgl. 1 und 2). Nutzt man die Temperaturabhängigkeit der inneren Materialeigenschaften der nicht geheizten Säulen 2'' in dieser Messschleife, so kann auf den Energieübertrag rückgeschlossen werden. Da die neutralen Detektorelemente nicht aktiv thermisch geheizt werden, kann man mit Hilfe der Energieübertragung vom Resonator 4 auf die neutralen Säulen 2'' Schlussfolgerungen über die Konzentration der zu detektierenden Gaskomponente treffen. Dabei gilt die Grundregel, dass eine hohe Temperatur darauf hindeutet, dass nur wenig Strahlung im Resonator 4 absorbiert wurde, das heißt die zu detektierende Gaskomponente nur in geringer Konzentration vorliegt und umgekehrt.
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Zur Bestimmung des Temperatureinflusses sind verschiedene Messprinzipien denkbar. So kann z. B. die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes der geschlossenen Messschleife für eine Widerstandsmessung genutzt werden. Sind die, die Messschleife bildenden neutralen Säulen 2'' aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut, so kann alternativ auch eine Thermo-Kraft oder Thermo-Spannung gemessen werden, welche bei Temperaturunterschieden zwischen dem offenen und dem geschlossenen Ende der Messschleife ausbildet. Die Auswertung kann dabei mit Hilfe einer Auswerteeinheit 9, z. B. in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), erfolgen, welche über elektrische Kontakte 10 mit der Messschleife verbunden ist. Der ASIC kann selbstverständlich auch zur Steuerung der Heizeinrichtung 5 genutzt werden.
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Um zu erreichen, dass die als Detektorelement dienenden neutralen Säulen 2'' nicht geheizt werden, sind bei der in 3 dargestellten Widerstandsheizung thermische Brüche 11 vorgesehen, in welchen das Material des Trägers 3 entfernt ist. Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist es jedoch unerheblich, auf welche Art und Weise erreicht wird, dass die neutralen Säulen 2'' nicht aktiv geheizt werden.
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Lässt man einen erfindungsgemäßen Resonator 4 bei einer Wellenlänge schwingen, bei der Gasabsorption durch die zu detektierende Gaskomponente stattfindet, so lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Existenz von spezifischen Gasen selektiv nachweisen und nach entsprechender Kalibrierung auch deren Konzentration.
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Dabei ist es vorteilhaft, Säulen 2 des photonischen Kristalls aus massivem Grundmaterial in Form von Metall oder Metalllegierungen vorzusehen, da diese Materialien eine hohe Brechkraft aufweisen und damit den Effekt der Führung der elektromagnetischen Welle in dem Resonator 4 optimal unterstützen. Die Zwischenräume zwischen den Säulen 2 erlauben dabei einen Durchtritt des zu untersuchenden Gases, so dass der Resonator 4 relativ großvolumig dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Dämpfung des Resonators 4 sehr empfindlich bezüglich der Gasabsorption bei der spezifischen Resonanzwellenlänge ist. Da die Resonanzwellenlänge einen sehr scharfen Peak hat, ist eine hohe Selektivität und damit Signalqualität sicher gestellt.
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Die Detektion der zu detektierenden Gaskomponente erfolgt dann sehr einfach. Nachdem die Vorrichtung dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt wurde und zumindest ein Teil der Säulen 2 des photonischen Kristalls 1 geheizt wurden, wird die im Resonator 4 befindliche Energie über das Detektorelement ausgekoppelt. Dabei gilt: Je höher die Konzentration der zu detektierenden Gaskomponente, desto stärker die Absorption der Strahlung, desto geringer die Feldstärke im Resonator 4, desto geringer die übertragene Energie auf die Detektor-Elemente. Insofern kann die Existenz einer Gaskomponente und/oder deren Konzentration in Abhängigkeit von der ausgekoppelten Energie detektiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde unter Verwendung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls beschrieben, kann aber ebenso unter Verwendung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls mit Säulen, welche einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen, realisiert werden.
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Durch die Änderung des Verhältnisses Durchmesser zu Abstand der Säulen 2 des photonischen Kristalls lässt sich die Resonanzwellenlänge oder Resonanzfrequenz definiert durchstimmen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung an die jeweils zu detektierende Gaskomponente abgestimmt werden. Dies bietet aber auch die Möglichkeit, mehrere derartiger Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einem gemeinsamen Träger in einem Feld nebeneinander zu legen und damit einen beliebigen Teilbereich des gesamten Spektrums abzudecken.
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9 zeigt schematisch ein System zur selektiven Detektion von mehreren Gaskomponenten oder von Konzentrationen von mehreren Gaskomponenten in einem zu untersuchendem Gas. Das System umfasst analog zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen photonischen Kristall 20, der eine periodisch angeordnete Struktur aus freistehenden Säulen 21 aufweist, deren Grundmaterial mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung ist, wobei Zwischenräume zwischen den Säulen einen Durchtritt des zu untersuchenden Gases erlauben. Durch vordefiniert Störstellen in Form von fehlenden Säulen werden mehrere parallele Resonatoren 22 ausgebildet. Die Resonanzfrequenzen der einzelnen Resonatoren 22 liegen dabei jeweils in einem Frequenzbereich, welcher durch die jeweils zu detektierenden Gaskomponenten absorbiert wird. Jedem Resonator 22 ist wiederum ein Detektorelement in Form zweier Neutraler, nicht geheizter Säulen 22'' zugeordnet, welche jeweils über Leitungsverbindungen 23 zu Messschleifen verbunden sind. Über die Detektorelemente lässt für jeden der Resonatoren 22 die im beheizten Zustand unter Einwirkung des zu untersuchendem Gases in dem Resonator 22 befindliche Energie auskoppeln. Analog zur erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbstverständlich auch wieder eine in 8 nicht dargestellte Heizeinrichtung zum Aufheizen zumindest eines Teils der Säulen vorgesehen. Letztendlich sind also lediglich mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtung parallel auf einem gemeinsamen Träger 24 angeordnet.
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Die Erfindung erlaubt durch entsprechende geometrische Ausgestaltung eines Resonators auch die Ausbildung eines Referenzkanals, der bevorzugt bei einer Frequenz schwingt, die keine oder nur wenig Gasabsorption besitzt, so dass Quereffekte kompensiert werden können.
