DE102013208603A1

DE102013208603A1 - Gassensor und Verfahren zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente

Info

Publication number: DE102013208603A1
Application number: DE102013208603.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-13
Also published as: WO2014180716A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor (5) zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente. Der Gassensor (5) umfasst einen photonischen Kristall (1), welcher eine Mehrzahl von in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordneten Strukturelementen (2) aufweist. Der photonische Kristall (1) weist des Weiteren wenigstens eine Störstelle auf, durch welche wenigstens ein Resonator (12) für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge gebildet ist, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbierbar ist. Der Gassensor (5) umfasst einen Detektor (55), welcher als von dem photonischen Kristall (1) verschiedenes Bauelement ausgebildet und dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen Resonator (12) abgegebene elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente. Der Gassensor umfasst einen photonischen Kristall, welcher eine Mehrzahl von in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordneten Strukturelementen aufweist. Des Weiteren weist der photonische Kristall wenigstens eine Störstelle auf, durch welche wenigstens ein Resonator für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge gebildet ist, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbierbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente.
Mittels Gassensoren lassen sich Gase in der Umwelt detektieren. Hierbei erlaubt es beispielsweise die Erfassung von Gasen wie CO, CO₂, H₂O und Methan, insbesondere bei der Ermittlung ihrer Konzentration, Aussagen über die Luftqualität zu treffen. Außerdem lässt sich mittels Gassensoren die Konzentration von gefährlichen und toxischen Gasen überwachen. Vor allem in Kombination mit automatischen Lüftungssystemen lässt sich so die Luftqualität in geschlossenen Räumen überwachen und steuern.
Es ist wünschenswert, wenn ein Gassensor möglichst kompakt ausgebildet ist, einen geringen Energieverbrauch aufweist und wenn er es ermöglicht, die Konzentration der einzelnen Gaskomponenten oder Gasspezies unbeeinflusst von anderen anwesenden Gasspezies nachzuweisen.
Gassensoren stellen eine etablierte Technologie dar, welcher eine Vielzahl von Messprinzipien zugrunde liegen kann. Die Messprinzipien unterscheiden sich in der Art der Umsetzung einer chemischen Information in ein – meist elektronisches – Signal, das im Anschluss weiterverarbeitet wird.
Prinzipien zur Gasdetektion sind beispielsweise resistive, kapazitive, potentiometrische, amperometrische, thermische, gravimetrische und optische Verfahren.
Optischen Messverfahren, speziell der Infrarot-Gasspektroskopie, kommt bei der Detektion von Gaskomponenten eine besondere Bedeutung zu. Die Infrarot-Gasspektroskopie beruht auf der Anregung von Energiezuständen in Gasmolekülen durch infrarotes Licht. Dies geschieht bei jeder Gasspezies bei einer oder mehreren charakteristischen Gasabsorptionsfrequenzen oder Wellenlängen, welche auch als Absorptionslinien bezeichnet werden.
In einem Infrarot-Spektrometer wird infrarotes Licht aus einer Quelle, bei welcher es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln kann, in ein Gasvolumen emittiert. Anschließend wird die Abschwächung des Lichts mit Hilfe eines Detektors ausgewertet. Wichtig ist hierbei, dass die Lichtquelle elektromagnetische Strahlung mit ausreichender Intensität im Infrarot-Bereich abstrahlt und dass die Abschwächung im Anschluss wellenlängenspezifisch detektiert werden kann. Indem die Absorptionslinien unterschiedlicher Gaskomponenten getrennt voneinander vermessen werden, lässt sich die Konzentration einzelner Gasspezies unabhängig voneinander bestimmen.
Entscheidend für die Sensitivität eines Infrarot-Spektrometers, vor allem bezüglich der Gaskonzentrationen, sind die Absorptionsstärke des Gases bei einer bestimmten Absorptionslinie und der Interaktionspfad, das heißt die Wegstrecke, die das Licht im Gasvolumen zurücklegt. Um die Sensitivität des Infrarot-Spektrometers zu erhöhen, wird deshalb oft der Interaktionspfad mit Hilfe eines Systems von Spiegeln verlängert. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer vergleichsweise großen, wenig kompakten Ausgestaltung des Gassensors.
Zudem muss bei gängigen Infrarot-Spektrometern ein nicht unerheblicher Energieverbrauch bei der Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung und bei der Detektion in Kauf genommen werden.
Um diesen Nachteilen klassischer Gasspektrometer im Hinblick auf den Formfaktor, also die beanspruchte Größe, und auf den Energieverbrauch zu begegnen, wurden in den letzten Jahren neue Ansätze entwickelt, um besonders kleine, energieeffiziente Infrarot-Spektrometer zu entwickeln.
Zur Verringerung des Bauraumbedarfs werden hierbei Strukturen mit optischen Resonatoren verwendet, etwa in Form von photonischen Kristallen. Hierbei wird der Interaktionspfad nicht wie im klassischen Infrarot-Spektrometer über ein System von Spiegeln verlängert. Vielmehr wird das Licht mit Hilfe unterschiedlicher Effekte für eine bestimmte Zeit in dem Resonator gefangen. Während das Licht im Resonator einer solchen photonischen Struktur gefangen ist, kann es mit den Gasmolekülen reagieren.
Beispielsweise beschreibt die US 7 352 466 B2 einen Gassensor mit einem photonischen Kristall, welcher eine Mehrzahl von periodisch angeordneten Strukturelementen aufweist. Mittels einer Leuchtdiode erzeugtes Licht wird hierbei durch den photonischen Kristall geleitet. Im Bereich einer Kavität im photonischen Kristall interagiert das Licht mit der sich in der Kavität befindenden Gaskomponente. Hierdurch wird ein Teil der Energie des in den photonischen Kristall eingestrahlten Lichts absorbiert. Entsprechend tritt Licht mit verringerter Intensität wieder aus dem photonischen Kristall aus, welches mittels einer Photodiode erfasst wird.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2010 034 428 B3 einen Gassensor mit einem photonischen Kristall, bei welchem periodisch angeordnete, freistehende Säulen aus einem Metall oder einer Metalllegierung vorgesehen sind. Störstellen in dem photonischen Kristall bilden hierbei Resonatoren, deren Resonanzfrequenzen in einem Frequenzbereich liegen, in welchem zu detektierende Gaskomponenten Licht absorbieren. Das Licht wird durch Beheizen von Säulen des photonischen Kristalls erzeugt. Als Detektoren sind in dem Resonator Säulen angeordnet, welche im Gegensatz zu den übrigen Säulen des photonischen Kristalls nicht beheizt werden. Die Energieübertragung von dem Resonator auf die neutralen, nicht aktiv beheizten Säulen lässt dann Schlussfolgerungen über die Konzentration der zu detektieren Gaskomponente zu. Hierbei deutet eine hohe, von dem Detektor detektierte Temperatur darauf hin, dass nur wenig Strahlung im Resonator absorbiert wurde. Entsprechend liegt die zu detektierende Gaskomponente nur in einer geringen Konzentration vor.
Das Einbringen von Detektorelementen in den Resonator selber kann jedoch im Hinblick auf die gewünschte Resonanz des Lichts im Resonator ungünstig sein.
Eine Leuchtdiode mit einem photonischen Kristall ist des Weiteren in der US 7 582 910 B2 beschrieben.
Generell stellen solche Ansätze der Nutzung optisch resonanter Strukturen sehr hohe Anforderungen an die Erzeugung des photonischen Kristalls. Diese müssen nämlich sehr strenge Geometrievorgaben erfüllen, um ein resonantes Verhalten für die gewünschte, also von der zu detektierenden Gaskomponente absorbierbare Wellenlänge zu zeigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gassensor und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich Gaskomponenten besonders funktionssicher detektieren lassen.
Diese Aufgabe wird durch einen Gassensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Gassensor umfasst einen Detektor, welcher als von dem photonischen Kristall verschiedenes Bauelement ausgebildet ist. Zudem ist der Detektor dazu ausgelegt, von dem wenigstens einen Resonator abgegebene elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Der Detektor befindet sich also in räumlicher Nähe des photonischen Kristalls mit dem wenigstens einen Resonator und erlaubt es so, die von dem wenigstens einen Resonator emittierte Strahlung zu detektieren, ohne dass der Resonator selber hierbei gestört wird. Dadurch ist der Gassensor besonders funktionssicher im Hinblick auf die Detektion der wenigstens einen Gaskomponente.
Moleküle der sich in dem wenigstens einen Resonator befindenden Gaskomponente verringern durch Absorption die Energie der von dem Resonator abgegebenen elektromagnetischen Strahlung, wenn der Resonator dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung der von der Gaskomponente absorbierbaren Wellenlänge zurückzuhalten und erst nach einiger Zeit zum Detektor hin abzugeben. Befindet sich hingegen keine die elektromagnetische Strahlung absorbierende Gaskomponente in dem Resonator, so gelangt die von dem Resonator abgegebene elektromagnetische Strahlung ungeschwächt zum Detektor. Aufgrund dieses Zusammenhangs lassen sich Aussagen über die Gaskomponente oder Gasspezies und deren Konzentration treffen.
Der Gassensor basiert auf der Nutzung des photonischen Kristalls. Ein solcher photonischer Kristall weist eine regelmäßige Anordnung von Strukturelementen auf, also ein Array von Mikrostrukturen, wobei diese eine photonische Struktur mit einer Bandlücke bilden. Die periodisch angeordneten Strukturelemente des photonischen Kristalls beeinflussen die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen auf vielfältige Weise. Hierbei entspricht die Periodizität der Anordnung der Strukturelemente meist in etwa der Wellenlänge des beeinflussten Lichts.
Die Ausbreitung des Lichts erfolgt in der Raumrichtung, in welcher die Periodizität der Strukturelemente gegeben ist, und zwar in Energiebändern, welche auch als Moden bezeichnet werden. Da sich in dem photonischen Kristall die Strukturelemente mit Bereichen abwechseln, welche von die zu detektierende Gaskomponente enthaltender Luft eingenommenen sind, liegt in dem photonischen Kristall üblicherweise ein hoher Kontrast der jeweiligen Brechungsindices vor. Dieser hohe Brechungsindexkontrast sorgt dafür, dass sich elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen beziehungsweise Frequenzbereiche in dem photonischen Kristall nicht ausbreiten kann. Dieses Phänomen des Verbots der Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung im photonischen Kristall wird auch als das Auftreten einer photonischen Bandlücke bezeichnet.
Elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, welche diese Bandlückenbedingung erfüllt, also eine Wellenlänge oder Frequenz aufweist, welche sich in dem photonischen Kristall nicht ausbreiten kann, kann somit in den Störstellen für eine bestimmte Zeit eingesperrt werden. Die Störstellen dienen somit als Resonator für die elektromagnetische Strahlung dieser Wellenlänge. Resonatoren für entsprechende Gaskomponenten können also durch gezieltes Einbringen von Defekten oder Störstellen in die Struktur des photonischen Kristalls erzeugt werden.
In diesen Resonatoren kann dann Licht, welches die Resonanzbedingungen des jeweiligen Resonators erfüllt, für eine bestimmte Zeit gehalten werden, hierbei mit der zu detektierenden Gaskomponente interagieren und dann in durch Absorption geschwächter Form aus dem Resonator austreten. Durch die Ausbildung des Detektors als von dem photonischen Kristall verschiedenes Bauelement lässt sich die von dem zumindest einen Resonator abgestrahlte Energie besonders gut detektieren. Zudem lässt sich die vom photonischen Kristall in von Störstellen freien Bereichen abgestrahlte Energie der elektromagnetischen Strahlung als Referenz heranziehen.
Durch Nutzung des photonischen Kristalls lässt sich zudem eine besonders geringe Größe des Gassensors realisieren. Die Absorption durch zu detektierende Gaskomponenten findet nämlich vorwiegend im Infrarotbereich und insbesondere im nahen Infrarotbereich statt. Diesen im Bereich von Mikrometern liegenden Wellenlängen entsprechen auch in etwa die Größen der Strukturelemente des photonischen Kristalls, beispielsweise deren Durchmesser und Abstände voneinander. Auch die Resonatoren können insbesondere die Größenordnung von Mikrometern aufweisen. Dadurch lassen sich bereits in einem sehr kleinen photonischen Kristall je nach Geometrie der Strukturelemente hunderte bis tausende Resonatoren realisieren.
Die Ermittlung des Vorhandenseins oder der Konzentration der Gaskomponenten erfolgt aufgrund der Wahrnehmung der Veränderungen der von dem Resonator abgegebenen elektromagnetischen Strahlung besonders funktionssicher.
Eine besonders geeignete Struktur des photonischen Kristalls lässt sich bereitstellen, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Strukturelemente als in einem Substrat verankerte Stäbe ausgebildet sind, wobei der wenigstens eine Resonator durch das Fehlen wenigstens eines Stabs an einer gemäß der Periodizität für den Stab vorgesehenen Stelle gebildet ist. Mit anderen Worten wird der Resonator durch gezieltes Weglassen einer oder mehrerer Stäbe erzeugt. Zwischen den Stäben befindet sich Luft bzw. ein die zu detektierenden Gaskomponenten enthaltendes Gasgemisch, so dass durch das Weglassen von Stäben gasoffene Resonatoren geschaffen sind. Dann kann nämlich die elektromagnetische Strahlung im Resonator besonders gut mit den in der Luft enthaltenen Gaskomponenten interagieren. Das Volumen des Resonators enthält hierbei das Gasgemisch bzw. die Luft mit den zu detektierenden Gaskomponenten. Die elektromagnetischen Wellen, die in einem solchen Resonator eingefangen werden, sind dann hauptsächlich in der Luft konzentriert, und sie können folglich gut mit sich in dem Resonator befindenden Gasmolekülen wechselwirken.
Die Störstelle kann als Punktdefekt ausgebildet sein, also als Kavität, welche durch Weglassen eines einzelnen Stabes gebildet ist oder als Liniendefekt oder Wellenleiter, welcher durch das Weglassen einer Mehrzahl benachbarter Stäbe erzeugt ist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die an zumindest einen Resonator angrenzenden Strukturelemente zu benachbarten Strukturelementen einen Abstand aufweisen, welcher kleiner oder größer ist als ein der Periodizität entsprechender Abstand der Strukturelemente voneinander. Durch solche minimalen Veränderungen der Größe des Resonators lässt sich besonders gut die Resonatorfrequenz auf die Frequenz der zu detektierenden Gaskomponente abstimmen, also auf diejenige Wellenlänge, bei welcher die Gaskomponente die elektromagnetische Strahlung absorbiert.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn in einem ersten Bereich des photonischen Kristalls die Strukturelemente einen einer ersten Periodizität entsprechenden Abstand voneinander und/oder eine erste Form aufweisen und in einem zweiten Bereich einen einer zweiten Periodizität entsprechenden Abstand voneinander und/oder eine zweite Form. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Veränderungen der Geometrie des photonischen Kristalls Veränderungen der Energiebänder und somit auch der Bandlücken einhergehen. Dies führt auch zu Verschiebungen der Resonatorfrequenzen oder Resonatormoden. Verändert man also etwa den Abstand zwischen den Strukturelementen, so verschieben sich die Moden zu höheren oder niedrigeren Frequenzen. So kann in einem photonischen Kristall eine große Bandbreite an Resonatorfrequenzen bereitgestellt werden.
Eine Veränderung der Form der alternierend angeordneten Strukturelemente führt ebenso zu einer Verschiebung der Energiebänder und der Bandlücken. Durch das Vorsehen unterschiedlicher Abstände oder unterschiedlicher Formen in voneinander verschiedenen Bereichen des photonischen Kristalls können also besonders einfach unterschiedliche Resonatoren mit jeweiligen Resonatorfrequenzen bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl verschiedener Gaskomponenten zu detektieren. Es kann nämlich eine Vielzahl von in der Wellenlänge versetzten Resonatormoden zur Verfügung gestellt werden. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass zumindest eine dieser Resonatormoden oder Resonatorfrequenzen sehr nahe an der Gasabsorptionslinie der zu detektierenden Gaskomponente liegt.
Die Veränderung der Form der Strukturelemente kann insbesondere in der Veränderung eines Durchmessers derselben bestehen, da sich Strukturelemente mit unterschiedlichen Durchmessern besonders leicht herstellen lassen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Temperatur des photonischen Kristalls derart eingestellt ist, dass eine Frequenz der in wenigstens einem Resonator reflektierten elektromagnetischen Strahlung derjenigen entspricht, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbierbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die optischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls temperaturabhängig sind. Es lässt sich also die Arbeitsfrequenz des Resonators, also die gewünschte Resonatorfrequenz durch eine gezielte Änderung der Temperatur des photonischen Kristalls einstellen. Aufgrund einer Temperaturänderung ändert sich nämlich der Brechungsindex des Materials der Strukturelemente des photonischen Kristalls, und es kommt je nach Temperatur zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Strukturelemente. Die temperaturabhängig unterschiedlichen Brechungsindices und Wärmeausdehnungen können besonders gut dazu genutzt werden, die Frequenzen der Resonatoren auf die gewünschten, also von der Gaskomponente absorbierten Frequenzen abzustimmen.
Des Weiteren kann durch kontinuierliches Verändern der Temperatur des photonischen Kristalls sehr gut festgestellt werden, wann die Frequenz des Resonators mit der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung übereinstimmt, welche von der zu detektierenden Gaskomponente absorbiert wird. Durch Einstellen der Temperatur des photonischen Kristalls auf diese Temperatur kann so besonders sicher die Absorptionslinie der zu detektierenden Gaskomponente getroffen werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Gassensor eine Heizeinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, im photonischen Kristall elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Dann braucht keine externe Lichtquelle zum Bereitstellen der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen zu werden, so dass der Gassensor besonders einfach aufgebaut ist. Zudem ergibt sich ein sehr geringer Energieverbrauch des Gassensors, da zum Aufheizen des photonischen Kristalls zum Zwecke der Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung sehr wenig Energie benötigt wird. Dies liegt an der geringen thermischen Kapazität des photonischen Kristalls, für welchen bei entsprechenden Abmessungen wenige mW zur Erzielung des Effekts der Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausreichend sind. Dies ermöglicht insbesondere einen Betrieb des Gassensors mit Wechselstrom, wodurch eine besonders gute Rauschunterdrückung ermöglicht ist.
Die Heizeinrichtung kann einen elektrischen Leiter umfassen, welcher an einem die Strukturelemente tragenden Substrat des photonischen Kristalls angeordnet ist. So kann über das Beheizen des Substrats ein besonders homogenes Beheizen der Strukturelemente des photonischen Kristalls erreicht werden. Zudem lassen sich so besonders einfach Veränderungen der Temperatur des photonischen Kristalls einstellen. Dies gilt insbesondere, wenn der elektrische Leiter mäandrierend an dem Substrat angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der photonische Kristall außenumfangsseitig zumindest bereichsweise von einer Wandung umgeben, welche für sich im photonischen Kristall ausbreitende elektromagnetische Strahlung eine hohe Reflektivität aufweist. Es wird also bevorzugt mehr als die Hälfte der auf die Wandung auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von dieser reflektiert. Dadurch geht besonders wenig elektromagnetische Strahlung verloren, was sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch des Gassensors auswirkt.
Zusätzlich oder alternativ weist die wenigstens eine Wandung eine geringe Tendenz auf, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Durch das Vorsehen einer solchen Wandung mit einer geringen Eigenabstrahlung kommt es zu keiner unerwünschten Wechselwirkung mit der sich im photonischen Kristall ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung, so dass letztere lediglich eine vergleichsweise geringe Intensität aufzuweisen braucht. Auch dies wirkt sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch des Gassensors aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor als thermo-elektrischer Energiewandler ausgebildet, welcher im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Säulen aufweist, wobei die Säulen paarweise zum Aufbau einer Thermospannung elektrisch miteinander verbunden sind. Durch einen solchen Detektor lässt sich eine besonders hohe Empfindlichkeit bei der Erfassung der von dem Resonator abgegebenen elektromagnetischen Strahlung erreichen. Zudem lässt sich eine besonders hohe räumliche Auflösung sicherstellen, so dass sehr genau festgestellt werden kann, welcher von gegebenenfalls vorhandenen mehreren Resonatoren elektromagnetische Strahlung an den Detektor abgibt.
Insbesondere, wenn die Säulen ein sehr hohes Aspektverhältnis, also eine große Länge im Verhältnis zum Durchmesser aufweisen, lassen sich nicht nur hohe Empfindlichkeiten, sondern auch sehr kleine Pixel von beispielsweise 10 Mikrometer auf 10 Mikrometer erreichen. Zudem ermöglicht ein solcher Detektor eine besonders einfache Auswertung der thermisch generierten Spannung.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn Endbereiche der Säulen jeweiligen Endbereichen der Strukturelemente des photonischen Kristalls zugewandt sind, wobei Säulen des Detektors in wenigstens einem Bereich desselben angeordnet sind, in welchem im gegenüberliegenden photonischen Kristall der wenigstens eine Resonator ausgebildet ist. Durch eine solche Anordnung der Säulen direkt über den Resonatoren kann besonders gut die von dem Resonator emittierte elektromagnetische Strahlung absorbiert werden.
Wenn zugleich andere Säulen über von Störstellen freien Bereichen des photonischen Kristalls angeordnet sind, lässt sich ein Referenzsignal erhalten, so dass eine besonders hohe Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Gaskomponente erreichbar ist.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn zwischen dem Detektor und dem photonischen Kristall wenigstens ein Filter angeordnet ist, welcher für die von dem wenigstens einen Resonator abgegebene elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Dadurch ist sichergestellt, dass lediglich eine besonders geringe Energiemenge den photonischen Kristall tatsächlich verlässt. Dies ist dem geringen Energieverbrauch des Gassensors zuträglich.
Zudem lässt sich so die vom Detektor absorbierte elektromagnetische Strahlung auf die von den Resonatoren emittierte Strahlung beschränken, und es lässt sich die Resonanzfrequenz der Resonatoren aus der übrigen vom photonischen Kristall emittierten Strahlung herausfiltern. Dann erreicht nur elektromagnetische Strahlung in der Resonanzfrequenz den Detektor. Dies ist im Hinblick auf die Sensitivität des Detektors in Bezug auf die Gaskomponente vorteilhaft.
Zusätzlich oder alternativ kann zwischen dem Detektor und dem photonischen Kristall wenigstens ein Abdeckelement angeordnet sein, welches im Bereich des wenigstens einen Resonators eine Durchtrittsöffnung aufweist. So kann sichergestellt werden, dass nur eine geringe Menge an Energie in Form der von den Resonatoren abgegebenen elektromagnetischen Strahlung den photonischen Kristall verlässt.
Um diesen, einen geringen Energieverbrauch des Gassensors mit sich bringenden Effekt zu verstärken, kann das Abdeckelement auf seiner dem photonischen Kristall zugewandten Seite für die sich in den photonischen Kristall ausbreitende elektromagnetische Strahlung reflektierend ausgebildet sind. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen einer spiegelnden Beschichtung auf dem Abdeckelement erreicht werden.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine von dem Detektor eingenommene Fläche zumindest im Wesentlichen einer von dem photonischen Kristall eingenommenen Fläche gleich ist. Dann kann mit einer besonders guten räumlichen Auflösung die vom photonischen Kristall abgegebene elektromagnetische Strahlung den Resonatoren zugeordnet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente mittels eines Gassensors wird in einen photonischen Kristall, welcher eine Mehrzahl von in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordneten Strukturelementen aufweist, eine elektromagnetische Strahlung eingebracht. Der photonische Kristall weist wenigstens eine Störstelle auf, durch welche wenigstens ein Resonator für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge gebildet ist, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbiert wird. Hierbei tritt von dem wenigstens einen Resonator abgegebene elektromagnetische Strahlung, welche aus dem photonischen Kristall austritt, in einen Detektor des Gassensors ein, und sie wird mittels des Detektors detektiert. Der Detektor ist hierbei als von dem photonischen Kristall verschiedenes Bauelement ausgebildet. Mittels eines nach diesem Verfahren betriebenen Gassensors lässt sich die Gaskomponente besonders funktionssicher detektieren.
Die für den erfindungsgemäßen Gassensor beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 in einer Perspektivansicht einen photonischen Kristall, wie er in einem Gassensor gemäß 16 zum Einsatz kommt;
2 Energiebänder sowie eine Bandlücke für Frequenzen elektromagnetischer Strahlung, welche bei dem photonischen Kristall gemäß 1 gegeben sind;
3 eine Perspektivansicht eines photonischen Kristalls, bei welchem durch Weglassen eines einzelnen Stabs eine Störstelle in Form einer Kavität geschaffen ist;
4 eine Perspektivansicht eines photonischen Kristalls, bei welchem durch Weglassen von drei benachbarten Stäben eine Störstelle in Form einer Kavität geschaffen ist;
5 eine Perspektivansicht eines photonischen Kristalls, bei welchem durch Weglassen von neun benachbarten Stäben eine Störstelle in Form einer Kavität geschaffen ist;
6 die Resonanzfrequenzen und die Bandstruktur des photonischen Kristalls gemäß 3 sowie die elektrische Komponente des elektromagnetischen Felds in den Resonanzfrequenzen der Resonatoren des photonischen Kristalls;
7 Variationen der Größe von als Kavitäten ausgebildeten Störstellen im photonischen Kristall und die damit einhergehenden Wellenlängen, in welchen die Kavitäten als Resonatoren wirken;
8 den jeweiligen Brechungsindex von für die Stäbe des photonischen Kristalls verwendetem Silizium als Funktion der Wellenlänge für unterschiedliche Temperaturen;
9 die Wellenlänge eines Energiebands eines photonischen Kristalls als Funktion der Temperatur;
10 einen Graphen, in welchem Linien unterschiedliche Geometrien von Resonatoren angeben, und die mit diesen Geometrien einhergehenden Wellenlängen, in welchen die jeweiligen Resonatoren zum Einsperren von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sind sowie eine Absorptionslinie einer Gaskomponente;
11 das kontinuierliche Verändern der Temperatur des photonischen Kristalls und die damit einhergehende Veränderung der Wellenlänge, bei welcher die Störstelle im photonischen Kristall als Resonator wirksam ist, sowie eine Absorptionslinie einer zu detektierenden Gaskomponente;
12 das Erhöhen der Temperatur gemäß 11 als Funktion der Zeit;
13 die Abhängigkeit der von einem schwarzen Körper abgegebenen elektromagnetischen Strahlung von seiner Temperatur;
14 schematisch den photonischen Kristall des Gassensors gemäß 16, wobei der photonische Kristall zwischen Wänden mit hoher Reflektivität angeordnet ist, und wobei eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des photonischen Kristalls vorgesehen ist;
15 in einer Perspektivansicht einen Detektor des Gassensors gemäß 16;
16 den Gassensor, bei welchem Thermosäulen des Detektors gemäß 15 den Stäben des photonischen Kristalls gegenüberliegend angeordnet sind; und
17 den Gassensor gemäß 16, wobei zwischen dem Detektor und dem photonischen Kristall ein Filter und eine Abdeckung mit Öffnungen angeordnet sind.
1 zeigt eine photonische Struktur in Form eines photonischen Kristalls 1, bei welcher eine Vielzahl von Strukturelementen in Form von freistehenden Stäben 2 mit einer in jeweilige Raumrichtungen vorliegenden Regelmäßigkeit angeordnet sind. So sind beispielsweise die Abstände der Stäbe 2 voneinander in eine in 1 durch einen Pfeil 3 angegebene erste Raumrichtung gleich groß. Ebenso sind die Abstände der Stäbe 2 voneinander in eine hierzu senkrechte Raumrichtung, welche in 1 durch einen weiteren Pfeil 4 veranschaulicht ist, jeweils gleich groß.
Es handelt sich bei dem in 1 gezeigten photonischen Kristall 1 somit um eine photonische Struktur mit zweidimensional periodisch angeordneten Strukturelementen in Form der Säulen 2, zwischen welchen sich Luft mit Gaskomponenten befindet, deren Konzentration es zu messen gilt.
Entsprechend kommt der photonische Kristall 1 in einem in 16 gezeigten Gassensor 5 zum Einsatz. Für den Gassensor 5 ist auch ein photonischer Kristall 1 verwendbar, welcher lediglich in eine Raumrichtung periodisch angeordnete Strukturelemente aufweist. Auch können photonische Kristalle 1 zum Einsatz kommen, welche in drei Raumrichtungen periodisch angeordnete Strukturelemente aufweisen. Hierfür kann etwa vorgesehen sein, dass bei dem in 1 gezeigten photonischen Kristall 1 der Durchmesser eines jeden Stabs 2 in Hochrichtung periodisch variiert. Derartige eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale photonische Kristalle 1 weisen Eigenschaften auf, welche man sich bei dem Gassensor 5 zunutze macht.
So beeinflusst der photonische Kristall 1 die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung, etwa von Licht mit Wellenlängen im infraroten Bereich in Richtung der Periodizität des photonischen Kristalls 1, vorliegend also in die durch die Pfeile 3, 4 angegebenen Raumrichtungen in Energiebändern.
Zur Veranschaulichung ist in 2 eine Bandstruktur 6 des photonischen Kristalls 1 gemäß 1 gezeigt. Hierbei ist auf einer Ordinate 7 die normalisierte Frequenz des Lichts angegeben. Auf einer Abszisse 8 sind die Richtungen der Ausbreitung des Lichts im photonischen Kristall 1 angegeben. Hierbei beschreiben die Ränder des in 2 gezeigten Graphen den Mittelpunkt einer jeweiligen Einzelzelle des photonischen Kristalls 1. Dazwischen liegen die senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen. In dem Graphen angegebene erste und zweite Arten von Kurven 9, 10 veranschaulichen die Energiebänder oder Moden, in welchen eine Möglichkeit der Ausbreitung des Lichts im photonischen Kristall 1 gegeben ist. Hierbei veranschaulichen die ersten Kurven 9 die Bänder oder Moden des transversal magnetisch polarisierten Lichts, während die zweiten Kurven 10 die Moden von transversal elektrisch polarisiertem Licht veranschaulichen.
Die Stäbe 2, welche die periodische Anordnung in Form eines Arrays von Mikrostrukturen bilden, bestehen bevorzugt aus Silizium. Ein Substrat 24, in welchem die Stäbe 2 verankert sind, besteht vorliegend bevorzugt ebenfalls aus Silizium.
Wie aus 2 erkennbar ist, tritt bei dem photonischen Kristall 1 gemäß 1 für die transversal magnetisch polarisierten Moden eine Bandlücke 11 zwischen dem Wert 0,31 und dem Wert 0,46 der normalisierten Frequenz auf. Diese photonische Bandlücke 11 bringt es mit sich, dass sich Licht dieses Frequenzbereichs in dem photonischen Kristall 1 nicht ausbreiten kann.
Das Auftreten solcher photonischen Bandlücken 11 in dem photonischen Kristall 1 ermöglicht es nun, in den photonischen Kristall 1 gezielt Störstellen oder Defekte einzubringen, welche als Resonatoren wirken. Solche Resonatoren lassen sich beispielsweise bereitstellen, indem einzelne der Stäbe 2 weggelassen werden.
3 zeigt ein erstes Beispiel solcher durch das Weglassen einzelner Stäbe 2 erzeugter Resonatoren 12. Die Resonatoren 12 sind hierbei als Kavitäten oder Lücken in Form von Punktdefekten zwischen den einzelnen Stäben 2 ausgebildet. Licht, welches die Bedingung erfüllt, dass seine Frequenz der Bandlücke 11 des photonischen Kristalls 1 entspricht, kann in einem solchen Resonator 12 für eine bestimmte Zeit eingesperrt bleiben. Dies gilt dann, wenn der Resonator 12 zumindest eine Resonanzfrequenz in der entsprechenden Bandlücke 11 aufweist.
Dann kann das im Resonator 12 vorübergehend eingesperrte Licht mit den sich im Resonator 12 befindenden Gasmolekülen wechselwirken. Hierbei kann es zu einer Absorption von Licht der Wellenlänge kommen, welche der Resonanzfrequenz des Resonators 12 entspricht.
In 4 ist der photonische Kristall 1 gezeigt, bei welchem durch Weglassen von mehr als einem Stab 2 eine Störstelle in Form eines Liniendefekts geschaffen ist. Hierbei sind beispielhaft Resonatoren 13 geschaffen, welche durch das Weglassen von drei benachbarten Stäben 2 erzeugt sind.
5 zeigt den photonischen Kristall 1, bei welchem durch Weglassen von neun benachbarten Stäben 2 ein weiterer Resonator 14 erzeugt ist. Die Resonatoren 12, 13, 14 können insbesondere in ein und demselben photonischen Kristall 1 ausgebildet sein. Dann ist die Wahrscheinlichkeit recht groß, dass unterschiedliche Resonatorfrequenzen zum Absorbieren der Wellenlängen der zu detektierender Gaskomponenten zur Verfügung stehen.
Bei den in 3, 4 und 5 gezeigten Resonatoren 12, 13, 14 handelt es sich um gasoffene Resonatoren 12, 13, 14. Die Luft, deren Gaskomponenten erfasst werden soll, kann also in die entsprechenden Kavitäten eindringen.
6 veranschaulicht drei Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 des Resonators 12, welcher durch Weglassen eines einzelnen Stabs 2 in dem Stabarray gemäß 3 erhalten wurde. In der mittleren Darstellung in 6 ist eine Bandstruktur 18 des photonischen Kristall 1 gemäß 3 gezeigt. Diese Bandstruktur 18 bezieht sich auf das transversal magnetisch polarisierte Licht, welches sich in dem photonischen Kristall 1 entsprechend der zur Verfügung stehenden Energiebänder ausbreiten kann.
Die entsprechenden Energiebänder stellen ein jeweiliges Kontinuum 19 an Zuständen bereit, zwischen welchen sich – vorliegend drei – Bandlücken 20 befinden.
Wie aus 6 ersichtlich ist, weist die zweite Bandlücke 20 die erste Resonanzfrequenz 15 des Resonators 12 auf. In der dritten Bandlücke 20 befinden sich die zweite Resonanzfrequenz 16 und die dritte Resonanzfrequenz 17 des Resonators 12.
In der rechten Darstellung in 6 sind durch jeweilige Bereiche 21, 22, 23 die elektrischen Komponenten des jeweiligen elektromagnetischen Feldes und deren räumliche Lage bezogen auf den Resonator 12 veranschaulicht.
Hieraus ist insbesondere ersichtlich, dass vor allem die erste Resonanzfrequenz 15, deren elektrische Komponente durch den Bereich 21 veranschaulicht ist, nahezu ausschließlich eine Konzentration des elektromagnetischen Feldes in der sich in dem Resonator 12 befindenden Luft zeigt. Die Bereiche 22 der zweiten Resonanzfrequenz 16 und die Bereiche 23 der dritten Resonanzfrequenz 17 zeigen hingegen eine Erstreckung, welche über die räumlichen Grenzen des Resonators 12 hinausgeht.
Damit das Licht, welches in einem der Resonatoren 12, 13, 14 gefangen wurde, für die Detektion der Gaskomponente genutzt werden kann, ist man bestrebt, die Resonanzfrequenz 15, 16, 17 des Resonators 12, 13, 14 beziehungsweise die Resonanzwellenlänge mit der Wellenlänge in Übereinstimmung zu bringen, bei welcher die zu detektierende Gaskomponente Licht absorbiert.
Die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 des Resonators 12, 13, 14 im photonischen Kristall 1 hängen etwa von Faktoren wie der Geometrie des Resonators 12, 13, 14, dem Material der Stäbe 2 und der Temperatur des photonischen Kristalls 1 ab. Um geeignete Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 zu erhalten, können entsprechend unterschiedliche Vorgehensweisen genutzt werden.
Zunächst kann das für die Stäbe 2 verwendete Material verändert beziehungsweise entsprechend gewählt werden. Damit nämlich in der photonischen Struktur die Bandlücken 11, 20 auftreten, ist ein möglichst großer Kontrast des jeweiligen Brechungsindex des Materials der Stäbe 2 und der an die Stäbe 2 angrenzenden Luft vorzusehen. Etwa bei Luft mit einem Brechungsindex von n = 1 und Silizium mit einem Brechungsindex von n =3,44 ist diese Bedingung erfüllt, so dass, wie oben beschrieben, die Bandlücken 11, 20 in dem photonischen Kristall 1 vorhanden sind.
Das für die Stäbe 2 gewählte Material beeinflusst jedoch auch die Position der Bandlücken 11, 20 und auch die Position der sich in den Bandlücken 11, 20 gegebenenfalls befindenden Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 beziehungsweise Resonatormoden.
Eine weitere Möglichkeit, die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 zu beeinflussen, liegt in einer Veränderung der Größe des Resonators 12, 13, 14. Dies soll anhand von 7 veranschaulicht werden.
So stellt in einem Graphen 25 in 7 eine Kurve 26 die Resonanzwellenlänge des Resonators 12 dar, also diejenige Resonanzwellenlänge welche sich in einem kubischen Array des aus Siliziumstäben gebildeten photonischen Kristalls 1 einstellt, wenn der Resonator 12 durch Weglassen eines einzelnen Stabs 2, also durch einen Punktdefekt im Gitter, erzeugt wurde.
Eine weitere Kurve 27 im Graphen 25 entspricht der Resonanzwellenlänge in einem Resonator 28, welche durch Weglassen von zwei nebeneinander liegenden Stäben 2 erhalten wurde. Eine weitere Kurve 29, die im Graphen 25 dargestellt ist, veranschaulicht eine geringfügig zu größeren Wellenlängen hin verschobene Resonanzwellenlänge des Resonators 12, welcher durch Weglassen eines einzelnen Stabs 2 erzeugt ist. Um diese geringfügige Verschiebung hin zu einer größeren Wellenlänge zu erreichen, wurden hierbei die den Resonator 12 begrenzenden vier Stäbe 2 ein Stück weit näher an die vier der Störstelle benachbarten Stäbe 2 herangerückt. Die Größe der Strecke des Heranrückens betrug hierbei einen Bruchteil eines Abstands a, welcher dem Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Stäbe 2 in vom Resonator 12 entfernten Bereichen des photonischen Kristalls 1 entspricht. Dieser Abstand a wird auch als Gitter-Pitch bezeichnet.
Bezeichnet man die Größe der Störstelle eines durch Weglassen eines Stabes 2 gebildeten Resonators 12 wie in 7 gezeigt mit L1, so entspricht die Größe des um ein Zehntel des Abstands a vergrößerten Resonators 12 der Größe L1 + 0,1a. Die entsprechende Kurve 29 sowie ein zugehöriger Bereich, durch welchen die auf den Resonator 12 bezogene räumliche Lage der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes veranschaulicht ist, ist in 7 dargestellt.
In analoger Weise zeigen weitere Kurven im Graphen 25 das um Bruchteile des Abstands a zunehmende Vergrößern des Resonators 12 beziehungsweise das Verkleinern des Resonators 28 um entsprechende Bruchteile des Abstands a sowie die zugehörigen Bereiche, wobei die Größe der Störstelle des durch Weglassen von zwei benachbarten Stäben 2 gebildeten Resonators 28 wie in 7 gezeigt mit L2 bezeichnet ist.
Durch entsprechende geringfügige Vergrößerungen des Resonators 12 beziehungsweise durch Verkleinerungen des Resonators 28 lassen sich folglich geringfügige Verschiebungen der jeweiligen Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 erreichen.
Im photonischen Kristall 1 besteht jedoch nicht der klassische Zusammenhang zwischen der Größe des Resonators 12 und der Resonanzfrequenz 15, 16, 17. Während nämlich im klassischen Fall eine Verdopplung der Größe des Resonators 12 zu einer Verdopplung der Wellenlänge der entsprechenden Resonanz führen würde, führt eine Verdopplung der Größe des Resonators 12 im photonischen Kristall 1 nur zu einer sehr geringen Veränderung der Resonanzwellenlänge, etwa von ungefähr 7,4 µm auf etwas über 8 µm. Dies ermöglicht es, sehr geringe Variationen der Resonanzfrequenz 15, 16, 17 durch die Einstellung unterschiedlicher Resonatorgrößen zu realisieren.
Auch durch die Veränderung der Geometrie des photonischen Kristalls 1 lässt sich eine Verschiebung beziehungsweise Veränderung der Bänder und somit der Bandlücken 11, 20 einschließlich der Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 erreichen. Die beispielsweise in 2 gezeigte Bandstruktur 6 des in 1 gezeigten photonischen Kristalls 1 ist nämlich abhängig vom Abstand a der Stäbe 2, also dem Gitter-Pitch. Verändert man diesen Abstand a, so verschieben sich auch die Frequenzen der Energiebänder, welche in 2 durch die Kurven 9, 10 veranschaulicht sind, hin zu höheren oder niedrigeren Frequenzen.
Auch eine Veränderung des Durchmessers der Stäbe 2 und/oder der Form dieser alternierend angeordneten Strukturelemente führt zu einer Verschiebung der Moden. Die in 2 gezeigte Bandstruktur 6 hat entsprechend nur für ein bestimmtes Verhältnis des Radius der Stäbe 2 zum Abstand a der Stäbe 2 voneinander Gültigkeit.
Des Weiteren hängt die Bandstruktur 6, 18 von der Art des Gitters ab, welches die Stäbe 2 bilden. Bei dem vorliegend gezeigten zweidimensionalen photonischen Kristall 1 ist ein kubisches Gitter gewählt, jedoch können auch andere Gitterarten wie etwa hexagonale, trigonale oder tetragonale Gitter zum Einsatz kommen. Auch durch die Variation der Gitterart, insbesondere innerhalb ein und desselben photonischen Kristalls 1, lassen sich somit die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 beeinflussen.
Zudem sind die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 1 temperaturabhängig. Die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 des Resonators 12 lassen sich also auch durch gezielte Temperaturänderung einstellen. Die Änderung der Temperatur beeinflusst nämlich die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 1, etwa aufgrund der Änderung des Brechungsindex des für die Stäbe 2 des photonischen Kristalls 1 verwendeten Materials mit der Temperatur. Dies soll anhand von 8 veranschaulicht werden.
Der Brechungsindex ist eine temperaturabhängige Größe, wobei der genaue Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Brechungsindex je nach Material sehr unterschiedlich ausfallen kann. Beispielsweise gibt es große Unterschiede zwischen den Temperaturabhängigkeiten des jeweiligen Brechungsindex von Metallen, Halbleitern und Isolatoren. Für Silizium ist die Änderung des Brechungsindex beispielsweise für den Temperaturbereich von 293 Kelvin bis 1.600 Kelvin und einen Wellenlängenbereich von 1,2 Mikrometern bis 14 Mikrometern durch ein Modell beschrieben. Beispielhaft ist in 8 eine Schar von Kurven 30 gezeigt, welche jeweils den Brechungsindex von Silizium als Funktion der Wellenlänge für unterschiedliche Temperaturen beschreiben. Hierbei ist auf einer Ordinate 31 der Brechungsindex angegeben und auf einer Abszisse 32 die Wellenlänge in Mikrometern.
Durch Berücksichtigung dieser Informationen lässt sich die Temperaturabhängigkeit einer Mode im photonischen Kristall 1 als Funktion der Temperatur darstellen. Entsprechend ist in 9 eine Kurve 33 gezeigt, welche die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der zweiten Mode eines Stabs 2 aus Silizium des photonischen Kristalls 1 im Mittelpunkt der Einzelzellen als Funktion der Temperatur veranschaulicht. Dieser Mittelpunkt wird auch als Γ-Punkt bezeichnet.
Ein entsprechender Punkt 34, welcher die Lage dieser zweiten Mode in der Bandstruktur 6 gemäß 2 veranschaulicht, ist zur Erläuterung auch in 9 angegeben. Hierbei gilt die in 9 gezeigte Kurve 33 für einen Abstand a der Zentren der Stäbe 2 voneinander, welcher 2,1 Mikrometer beträgt, und für einen Radius der Stäbe 2 von 618 nm. Wie aus der Kurve 33 in 9 hervorgeht, verschiebt sich die entsprechende Wellenlänge mit steigender Temperatur hin zu höheren Werten. Vorliegend ist die Wellenlänge in 9 auf einer Ordinate 35 aufgetragen und die Temperatur auf einer Abszisse 36.
Des Weiteren lässt sich durch die Veränderung der Temperatur die Geometrie des photonischen Kristalls 1 aufgrund von Wärmeausdehnungseffekten verändern. Je nach Geometrie und Material des photonischen Kristalls 1 kann dieser Effekt sich unterschiedlich stark auf die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 1 auswirken.
Vorliegend wird dafür gesorgt, dass die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 so genau wie möglich in Überlappung mit einer entsprechenden Gasabsorptionslinie kommen. Dies lässt sich einmal durch das Bereitstellen einer Vielzahl von Resonatoren 12, 13, 14, 28 mit unterschiedlichen Größen realisieren. Damit wird sichergestellt, dass eine Vielzahl von in der Wellenlänge versetzten Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 zur Verfügung steht. Zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 liegt dann zumindest sehr nahe an einer Gasabsorptionslinie.
Des Weiteren sind innerhalb des photonischen Kristalls 1 bevorzugt variierende Geometrien vorgesehen, also variierende Formen der Strukturelemente, insbesondere variierende Durchmesser der Stäbe 2 sowie variierende Abstände a zwischen den Stäben 2. Dies hat zur Folge, dass Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 zumindest nahe an eine Gasabsorptionslinie herangebracht werden können, insbesondere mit einer Gasabsorptionslinie überlappen.
Dies soll anhand von 10 veranschaulicht werden, bei welcher auf eine Abszisse 37 Wellenlängen aufgetragen sind und Linien 38, 39, 40, 41, 42 die mit den unterschiedlichen Geometrien der Resonatoren 12, 13, 14, 28 und/oder den unterschiedlichen Anordnungen und/oder Formen der Stäbe 2 einhergehenden Resonanzwellenlängen veranschaulichen. Beispielsweise liegt vorliegend die durch die Linie 40 veranschauliche Resonanzwellenlänge eines der Resonatoren 12, 13, 14, 28 sehr nahe an einer Gasabsorptionslinie 43.
Anhand von 11 wird veranschaulicht, wie durch kontinuierliche Variationen der Temperatur des photonischen Kristalls 1 eine Resonanzwellenlänge eines Resonators 12, 13, 14, 28 mit dieser Gasabsorptionslinie 43 in Überlappung gebracht werden kann. Auch hier ist wieder auf der Abszisse 37 die Wellenlänge aufgetragen, während eine Linie 44 diejenige Wellenlänge veranschaulicht, bei welcher bei niedrigerer Temperatur ein bestimmter Resonator 12, 13, 14, 28 die Resonanzbedingungen erfüllt und so das Licht für eine bestimmte Zeit im Resonator 12, 13, 14, 28 gehalten wird.
Ein Pfeil 45 in 11 veranschaulicht das kontinuierliche Erhöhen der Temperatur des photonischen Kristalls 1 und damit des betreffenden Resonators 12, 13, 14, 28. In der Folge verschiebt sich die Wellenlänge, bei welcher es in dem Resonator 12, 13, 14, 28 zu Resonanz kommt, hin zu höheren Werten. Bei einer bestimmten Temperatur befinden sich folglich die Linie 44 und die Gasabsorptionslinie 43 in Überlappung.
In 12 ist die kontinuierliche Erhöhung der Temperatur gemäß dem Pfeil 45 als Funktion der Zeit angegeben, welche auf einer Abszisse 46 aufgetragen ist, während auf einer Ordinate 47 die Temperatur angegeben ist. Eine Linie 48 kennzeichnet diejenige Temperatur, bei welcher sich die Linie 44 und die Gasabsorptionslinie 43 in Überlappung befinden.
In dem photonischen Kristall 1 lassen sich eine Vielzahl von Resonatoren 12, 13, 14, 28 erzeugen, so dass die Detektion einer Vielzahl von Gasspezies oder Gaskomponenten möglich ist. Beispielsweise lässt sich der photonische Kristall 1 in Bereiche mit unterschiedlichen Geometrien einteilen. Die Resonatoren 12, 13, 14, 28 in dem jeweiligen Bereich sind dann bevorzugt für die Detektion einer bestimmten Gaskomponente ausgelegt. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass in jedem Bereich eine Vielzahl von Resonatoren 12, 13, 14, 28 vorhanden ist, deren Geometrien und Größen und somit auch Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 wiederum jeweils voneinander verschieden sein können. Durch Variation der Temperatur, also etwa durch Erhöhen oder Verringern der Temperatur des photonischen Kristalls 1, können diese Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 dann mit der jeweils gewünschten Gasabsorptionslinie 43 in Überlappung gebracht werden. So lässt sich die simultane Detektion unterschiedlicher Gaskomponenten erreichen.
Bevorzugt wird die elektromagnetische Strahlung, welche sich im jeweiligen Resonator 12, 13, 14, 28 sammelt, durch Erhitzen zumindest eines Teils des photonischen Kristalls 1 also der Stäbe 2 und/oder des Substrats 24 erzeugt. Ziel ist es hierbei, den photonischen Kristall 1 auf eine Temperatur zu bringen, welche größer ist als die Temperatur seiner Umgebung. Jedes Strukturelement des photonischen Kristalls 1 und auch das Substrat 24 strahlt hierbei elektromagnetische Strahlung gemäß der Planck’schen Strahlungskurve ab. Diese ist in 13 für einen schwarzen Körper mit unterschiedlichen Temperaturen veranschaulicht, wobei auf einer Abszisse 49 die Wellenlänge in Nanometern und auf einer Ordinate 50 die Energie der elektromagnetischen Strahlung angegeben ist. Kurven 51, 52 veranschaulichen die Verschiebung der energiereichsten Wellenlängen hin zu niedrigeren Werten bei höheren Temperaturen gemäß dem Wien’schen Verschiebungsgesetz. Durch Erhitzen des photonischen Kristalls 1 können also gezielt die Wellenlängen eingestellt werden, welche die vom photonischen Kristall 1 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung aufweisen sollen.
Die thermische Strahlung in dem photonischen Kristall 1 wird jedoch durch die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 1 beeinflusst. In einem defektfreien photonischen Kristall 1, bei dem also keine als Resonatoren 12, 13, 14, 28 wirkenden Störstellen vorgesehen sind, wird die Abstrahlung der Stäbe 2 in Richtung der Periodizität im Frequenzbereich der Bandlücken 11, 20 unterdrückt. Dies ist durch das Verbot der Lichtausbreitung im Frequenzbereich der Bandlücken 11, 20 erklärbar.
Im photonischen Kristall 1, welcher Kavitäten etwa in Form der Resonatoren 12, 13, 14, 28 aufweist, kann dies allerdings eine verstärkte Ansammlung der elektromagnetischen Strahlung, welche eine der Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 aufweist, in den Resonatoren 12, 13, 14, 28 zur Folge haben. Der Grund hierfür ist, dass die an die jeweilige Kavität angrenzenden Stäbe 2 im Bereich der Bandlücken 11, 20 keine elektromagnetische Strahlung in Richtung der Periodizität des photonischen Kristalls 1 in den photonischen Kristall 1 abgeben dürfen. Hier sind nämlich keine Moden oder Energiebänder zur Aufnahme dieser elektromagnetischen Strahlung vorhanden. Die Stäbe 2 können diese elektromagnetische Strahlung jedoch teilweise in den Resonator 12, 13, 14, 28 abgeben. Der Resonator 12, 13, 14, 28 liefert hierfür resonante Moden oder Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 im Bereich der jeweiligen Bandlücke 11, 20.
Des Weiteren führt der sogenannte Purcell-Effekt zu einer verstärkten Emission von elektromagnetischer Strahlung in der Resonanzfrequenz 15, 16, 17 der Kavitäten. Der Purcell-Effekt besagt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Emission erhöht wird, wenn die Quelle der Emission sich in einem Resonator 12, 13, 14, 28 befindet. Dies führt vorliegend zu einer deutlichen Erhöhung der Intensität der im Resonator 12, 13, 14, 28 gefangenen elektromagnetischen Strahlung.
14 zeigt schematisch eine erste Komponente 51 des in 16 gezeigten Gassensors 5. Die Komponente 51 umfasst den photonischen Kristall 1 mit den Stäben 2 und den Störstellen oder Kavitäten, durch welche die Resonatoren 12, 13, 14, 28 gebildet sind, wobei der Einfachheit halber lediglich der Resonator 12 gezeigt ist. Unterhalb des Substrats 24 des photonischen Kristalls 1 befindet sich eine Heizeinrichtung, welche einen mäandrierend verlegten elektrischen Leiter 52 umfasst. Der elektrische Leiter 52 kann insbesondere aus Platin gefertigt sein.
Durch das Beheizen der Stäbe 12 des photonischen Kristalls 1 beziehungsweise des Substrats 24 zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann auf eine externe Lichtquelle verzichtet werden. Dies führt zu einer erheblichen Senkung des Energieverbrauchs der Komponente 51. Zusätzlich bewirken weitere Maßnahmen, dass der Energieverbrauch der Komponente 51 des Gassensors 5 besonders gering ist. So ist der photonische Kristall 1 zwischen Wänden 53 angeordnet, deren dem photonischen Kristall 1 zugewandte und insbesondere in Bezug auf das Substrat 24 geneigt angeordnete Oberflächen 54 eine hohe Reflektivität aufweisen. Zudem zeichnen sich die Wände 53 der Komponente 51 durch eine geringe Eigenabstrahlung aus.
Eine weitere Komponente des Gassensors 5 ist ein in 15 perspektivisch gezeigter Detektor 55, welcher als von dem photonischen Kristall 1 verschiedenes Bauelement ausgebildet ist. Dieser Detektor 55 ist bevorzugt als Infrarot-Detektorarray ausgebildet und umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Säulen 56, 57, welche jeweils paarweise elektrisch miteinander verbunden sind. Die jeweiligen Säulen 56, 57 bilden Schenkel eines Thermopaars, wobei die Schenkel aus Materialien mit unterschiedlicher Thermokraft bestehen, also unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen. Bei Beaufschlagung der Säulen 56, 57 mit Wärme bildet sich entsprechend eine Thermospannung aus. Dieses elektrische Signal wird dann detektiert.
Die in dem Gassensor 5 den freien Enden der Stäbe 2 des photonischen Kristalls 1 zugewandte Enden der Säulen 56, 57 sind bevorzugt mit einer Absorberschicht 58 bedeckt, welche zum Absorbieren von Infrarotstrahlung ausgelegt ist. Im Detektor 55 wird die elektromagnetische Strahlung über Absorption in den Säulen 56, 57 aufgenommen, welche auch als Thermopiles bezeichnet werden, und in ein detektierbares Signal konvertiert. Abmessungen des Detektors 55, insbesondere ein Durchmesser und ein Abstand der Säulen 56, 57, können insbesondere an die Geometrie des photonischen Kristalls 1 angepasst sein.
Das Layout von in Abhängigkeit von der Absorption von Infrarotstrahlung eine jeweilige Spannung abgebenden Einheiten des Detektors 55, welche auch als Pixel bezeichnet werden, kann so ausgeführt sein, dass sowohl die Intensität der von den Resonatoren 12, 13, 14, 28 des photonischen Kristalls 1 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung als auch die Intensität von in ungestörten Bereichen des photonischen Kristalls 1 abgegebener elektromagnetischer Strahlung separat voneinander detektiert werden können.
Ein solcher dreidimensionaler thermoelektrischer Detektor 55, wie er in 15 schematisch gezeigt ist, weist für seine Verwendung in dem Gassensor 5 besonders günstige Eigenschaften auf. Zu diesen zählen sehr kleine Pixel von bis zu 10 Mikrometer auf 10 Mikrometer Ausdehnung. Zusätzlich ist ein sehr hoher Bedeckungsgrad der dem photonischen Kristall 1 zugewandten Oberfläche des Detektors 55 mit zur Aufnahme von Wärme geeigneten Strukturen gegeben, wobei der Bedeckungsgrad bei 80 bis 90 % liegen kann.
Des Weiteren weist der Detektor 55 eine sehr hohe Empfindlichkeit auf, welche durch das hohe Aspektverhältnis der Säulen 56, 57 bedingt ist, also durch einen großen Wert des Verhältnisses ihrer Länge zu ihrem Durchmesser. Das Aspektverhältnis kann etwa bei bis zu 100:1 liegen. Die Empfindlichkeit des Detektors 55 kann bei mehr als 1.000 Volt pro Watt der vom Detektor 55 aufgenommenen Wärmeleistung liegen.
Die Säulen 56, 57 ragen vorliegend aus einem Substrat 59 senkrecht heraus, welches beispielsweise aus Silizium gebildet sein kann. Die einzelnen Säulen 56, 57 oder Thermoschenkel können insbesondere jeweils aus p-dotiertem und n-dotiertem Silizium bestehen. Insbesondere an dem Substrat 59 kann eine Auswerteschaltung, etwa eine CMOS-Auswerteschaltung, angeordnet sein, so dass diese in den Detektor 55 integriert ist.
Wie aus 16 hervorgeht, sind in dem Gassensor 5 einzelne Säulenpaare 60 über den die Resonatoren 12 bildenden Kavitäten angeordnet. Diese Säulenpaare 60 absorbieren so die komplette von den Resonatoren 12 emittierte elektromagnetische Strahlung. Andere Säulenpaare 61 des Detektors 55 sind demgegenüber über Bereichen des photonischen Kristalls 1 angeordnet, welche frei von Störstellen in Form der Resonatoren 12, 13, 14, 28 sind. Über den Vergleich der Signale dieser Säulenpaare 60, 61 miteinander lassen sich Informationen über die von den Resonatoren 12 abgegebene elektromagnetische Strahlung in Referenz zur Hintergrundstrahlung des photonischen Kristalls 1 erhalten.
Um die von den über den Resonatoren 12 angeordneten Säulenpaaren 60 absorbierte elektromagnetische Strahlung möglichst auf die von den Resonatoren 12 emittierte Resonanzfrequenz 15, 16, 17 zu beschränken, können ein Filter 62 und/oder eine teildurchlässige Abdeckung 63 zwischen dem photonischen Kristall 1 und dem Detektor 55 angeordnet sein.
Der entsprechende, den Filter 62 und die Abdeckung 62 aufweisende Gassensor 5 ist schematisch in 17 gezeigt. Der Filter 62 ist hierbei dazu ausgelegt, elektromagnetische Strahlung derjenigen Frequenz zum Detektor 55 durchzulassen, welche der Resonanzfrequenz 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 entspricht. Dann erreicht von der vom photonischen Kristall 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung lediglich diejenige den Detektor 55, welche diese Resonanzfrequenz 15, 16, 17 aufweist.
Um unterschiedliche Wellenlängen oder Frequenzen herauszufiltern, kann der Filter 62 in jeweils über entsprechenden Resonatoren 12, 13, 14, 28 angeordneten Bereichen jeweils geeignete Filtereigenschaften aufweisen.
Der Filter 62 sorgt vorliegend dafür, dass vergleichsweise wenig elektromagnetische Strahlung vom photonischen Kristall 1 hin zum Detektor 55 hin abgegeben wird. Dies ist dem geringen Energieverbrauch der den photonischen Kristall 1 aufweisenden Komponente 51 des Gassensors 5 zuträglich.
Auch mittels der Abdeckung 63 lässt sich verhindern, dass elektromagnetische Strahlung, welche von den Stäben 2 des photonischen Kristalls 1 abgegeben wird, den Detektor 55 erreicht. In der Abdeckung 63 sind entsprechende Löcher beziehungsweise Durchtrittsöffnungen 64 vorgesehen, welche oberhalb der Resonatoren 12, 13, 14, 28 des photonischen Kristalls 1 angeordnet sind. So wird sichergestellt, dass lediglich die über den Resonatoren 12, 13, 14, 28 des photonischen Kristalls 1 angeordneten Säulenpaare 60 die von den Resonatoren 12, 13, 14, 28 abgegebene elektromagnetische Strahlung erfassen.
Die Abdeckung 63 kann an ihrer dem photonischen Kristall 1 zugewandten Seite spiegelnd beschichtet sein, um zusätzlich zu verhindern, dass zu viel elektromagnetische Strahlung den photonischen Kristall 1 verlässt. Auch diese Maßnahmen des Vorsehens des Filters 62 und/oder der Abdeckung 63 tragen zur Verringerung des Energieverbrauchs der Komponente 51 des Gassensors 5 bei.
Die Resonatoren 12, 13, 14, 28 des photonischen Kristalls 1 können also Licht mit der Resonanzfrequenz 15, 16, 17 über eine bestimmte Zeit im photonischen Kristall 1 halten. Bei Übereinstimmung dieser Resonanzfrequenz 15, 16, 17 mit der Gasabsorptionslinie 43 des zu detektierenden Gases kommt es zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Resonator 12, 13, 14, 28. Dies führt zu einer Verringerung der Intensität der vom Resonator 12, 13, 14, 28 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung. Die Verringerung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung lässt sich mittels des Detektors 55 nachweisen.
Da die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 des photonischen Kristalls 1 bekannt sind, lässt sich auch auf die zu detektierende Gaskomponente schließen. Auf die Konzentration dieser Gaskomponente kann dann aus dem Grad der Abschwächung der vom Resonator 12, 13, 14, 28 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung geschlossen werden. Die Sensitivität des Gassensors 5 gegenüber der zu detektierenden Gaskomponente hängt hierbei im Wesentlichen von der Güte der Resonatoren 12, 13, 14, 28 ab, in welchen die Absorption des Lichts stattfindet. Diese Güte lässt sich mittels des sogenannten Q-Faktors angeben, welcher ausdrückt, wie lange die elektromagnetische Strahlung in dem Resonator 12, 13, 14, 28 zurückgehalten wird.
Der vorliegend beschriebene Gassensor 5 nutzt also optische Eigenschaften des photonischen Kristalls 1, welcher aus einem regelmäßigen Array von Strukturelementen oder Mikrostrukturen in Form der Stäbe 2 mit gezielt eingebrachten Defekten besteht. Hierbei weist die Bandstruktur 6, 18 des photonischen Kristalls 1 Bandlücken 11, 20 auf. Durch Erhitzen des photonischen Kristalls 1 und/oder des als Träger der Stäbe 2 dienenden Substrats 24 wird Licht in Form von Planck’scher Strahlung im photonischen Kristall 1 erzeugt, im jeweiligen Resonator 12, 13, 14, 28 gesammelt und von dort nach einiger Zeit in die Umgebung emittiert.
In der Umgebung, und zwar in räumlicher Nähe zu den Resonatoren 12, 13, 14, 28, befindet sich der Detektor 55 bevorzugt in Form des für Infrarotstrahlung empfindlichen und in 15 gezeigten Detektorarrays, welcher die von den Resonatoren 12, 13, 14, 28 emittierte elektromagnetische Strahlung detektiert. Da Gasmoleküle in den Resonatoren 12, 13, 14, 28 durch Absorption die Intensität der von den Resonatoren 12, 13, 14, 28 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung verringern können, lässt sich aufgrund dieser Verringerung auf die Gaskomponente und deren Konzentration schließen. Zudem lassen sich durch Anpassungen im Layout und insbesondere kontinuierliches Verändern der Temperatur des photonischen Kristalls 1 simultan unterschiedliche Gaskomponenten detektieren.
Das Konzept des vorliegend beschriebenen Gassensors 5 beinhaltet somit die Nutzung von gasoffenen (Mikro-)Resonatoren 12, 13, 14, 28 in dem photonischen Kristall 1, welche – bevorzugt gruppenweise – bei definierten, unterschiedlichen Wellenlängen in Resonanz sind. Das Anregen und Steuern der entsprechenden Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 der Resonatoren 12, 13, 14, 28 erfolgt durch Aufheizen des photonischen Kristalls 1 und aufgrund der daraus resultierenden Abstrahlung.
Die Detektion der abgestrahlten Energie erfolgt durch die für Infrarotstrahlung empfindlichen Mikrodetektorelemente in Form der Säulen 56, 57 des Detektors 55, welche den jeweiligen Resonatoren 12, 13, 14, 28 zugeordnet gegenüberliegen. Hierbei kann die abgestrahlte Energie des ungestörten photonischen Kristalls 1 zu Referenzzwecken bestimmt werden.
Die Ermittlung der Gaskomponenten erfolgt durch die Wahrnehmung der Veränderung der detektierten Intensität der von den jeweiligen Resonatoren 12, 13, 14, 28 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung. Vorteilhaft ist die besonders geringe Größe des Gassensors 5, da sich bereits in einem photonischen Kristall 1 von nur 1 mm² Größe hunderte bis tausende oder sogar zehntausende der Resonatoren 12, 13, 14, 28 realisieren lassen. Insbesondere wenn diese in ihrer Größe und Geometrie variieren, können sie gezielt zur Detektion unterschiedlicher Gaskomponenten eingesetzt werden.
Wenn zusätzlich Teile des photonischen Kristalls 1 gezielt frei von Resonatoren 12, 13, 14, 28 bleiben, so kann die elektromagnetische Strahlung des ungestörten photonischen Kristalls 1 als Referenzsignal erhalten werden. Die Größe der dem photonischen Kristall 1 zugewandten Fläche des Detektors 55 entspricht hierbei bevorzugt zumindest im Wesentlichen der Größe der dem Detektor 55 zugewandten Fläche des photonischen Kristalls 1.
Der sehr geringe Energieverbrauch der Komponente 51 des Gassensors 5 ergibt sich unter anderem dadurch, dass die vom photonischen Kristall 1 abgegebene Infrarotstrahlung durch thermisches Pumpen erzeugt wird. Wenn Infrarotstrahlung im einstelligen Mikrometerbereich genutzt wird, so reichen Temperaturen von 150 °C bis 300 °Celsius aus, um im photonischen Kristall 1 im Bereich der Resonatoren 12, 13, 14, 28 die Resonanzfrequenzen 15, 16, 17 einzustellen. Der Detektor 55 kann insbesondere als passives, ungekühltes System ausgebildet sein, da so für die Signalgewinnung mittels des Detektors 55 keine zusätzliche Energie zur Verfügung gestellt zu werden braucht.
Wenn jedoch zur Signalauswertung der Detektor 55 mit einer – insbesondere anwendungsspezifischen – integrierten Schaltung (ASIC) gekoppelt ist, so braucht diese zur Versorgung eine gewisse Menge an elektrischer Energie. Diese kann jedoch beispielsweise mit einer Spannung von etwa 2 Volt und einer Stromstärke im Bereich von wenigen mA sehr gering ausfallen.
Aufgrund der geringen thermischen Kapazität des photonischen Kristalls 1 braucht zudem für dessen Aufheizen und für das Steuern seiner Temperatur nur sehr wenig Energie eingesetzt zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7352466 B2 [0012]
DE 102010034428 B3 [0013]
US 7582910 B2 [0015]

Claims

Gassensor zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente mit einem photonischen Kristall (1), welcher eine Mehrzahl von in wenigstens eine Raumrichtung (3, 4) periodisch angeordneten Strukturelementen (2) aufweist, wobei der photonische Kristall (1) wenigstens eine Störstelle aufweist, durch welche wenigstens ein Resonator (12, 13, 14, 28) für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge gebildet ist, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (5) einen Detektor (55) umfasst, welcher als von dem photonischen Kristall (1) verschiedenes Bauelement ausgebildet und dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen Resonator (12, 13, 14, 28) abgegebene elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (2) als in einem Substrat (24) verankerte Stäbe ausgebildet sind, wobei der wenigstens eine Resonator (12, 13, 14, 28) durch das Fehlen wenigstens eines Stabs an einer gemäß der Periodizität für den Stab vorgesehenen Stelle gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an zumindest einen Resonator (12, 13, 14, 28) angrenzenden Strukturelemente (2) zu benachbarten Strukturelementen (2) einen Abstand aufweisen, welcher kleiner oder größer ist als ein der Periodizität des photonischen Kristalls (1) entsprechender Abstand (a) der Strukturelemente (2) voneinander.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bereich des photonischen Kristalls (1) die Strukturelemente (2) einen einer ersten Periodizität entsprechenden Abstand (a) voneinander und/oder eine erste Form, insbesondere einen ersten Durchmesser aufweisen und in einem zweiten Bereich einen einer zweiten Periodizität entsprechenden Abstand voneinander und/oder eine zweite Form, insbesondere einen zweiten Durchmesser.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des photonischen Kristalls (1) derart eingestellt ist, dass eine Frequenz der in wenigstens einem Resonator (12, 13, 14, 28) reflektierten elektromagnetischen Strahlung derjenigen entspricht, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbierbar ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (5) eine Heizeinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, im photonischen Kristall (1) elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen, insbesondere mäandrierenden, elektrischen Leiter (52) umfasst, welcher an einem die Strukturelemente (2) tragenden Substrat (24) des photonischen Kristalls (1) angeordnet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der photonische Kristall (1) außenumfangsseitig zumindest bereichsweise von einer Wandung (53) umgeben ist, welche für sich im photonischen Kristall (1) ausbreitende elektromagnetische Strahlung eine hohe Reflektivität aufweist und/oder eine geringe Tendenz, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (55) als thermo-elektrischer Energiewandler ausgebildet ist, welcher im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Säulen (56, 57) aufweist, welche paarweise zum Aufbau einer Thermospannung elektrisch miteinander verbunden sind.
Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Endbereiche der Säulen (56, 57) jeweiligen Endbereichen der Strukturelemente (2) des photonischen Kristalls (1) zugewandt sind, wobei Säulen (56, 57) des Detektors (55) in wenigstens einem Bereich desselben angeordnet sind, in welchem im gegenüberliegenden photonischen Kristall (1) der wenigstens eine Resonator (12, 13, 14, 28) ausgebildet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Detektor (55) und dem photonischen Kristall (1) wenigstens ein Filter (62) angeordnet ist, welcher für die von dem wenigstens einen Resonator (12, 13, 14, 28) abgegebene elektromagnetische Strahlung durchlässig ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Detektor (55) und dem photonischen Kristall (1) wenigstens ein, insbesondere auf seiner dem photonischen Kristall (1) zugewandten Seite für sich in dem photonischen Kristall (1) ausbreitende elektromagnetische Strahlung reflektierend ausgebildetes, Abdeckelement (63) angeordnet ist, welches im Bereich des wenigstens einen Resonators (12, 13, 14, 28) eine Durchtrittsöffnung (64) aufweist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Detektor (55) eingenommene Fläche zumindest im Wesentlichen einer von dem photonischen Kristall (1) eingenommenen Fläche gleich ist.
Verfahren zum Detektieren wenigstens einer Gaskomponente mittels eines Gassensors (5), bei welchem in einen photonischen Kristall (1), welcher eine Mehrzahl von in wenigstens eine Raumrichtung (3, 4) periodisch angeordneten Strukturelementen (2) aufweist, eine elektromagnetische Strahlung eingebracht wird, wobei der photonische Kristall (1) wenigstens eine Störstelle aufweist, durch welche wenigstens ein Resonator (12, 13, 14, 28) für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge gebildet ist, welche von der wenigstens einen Gaskomponente absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Resonator (12, 13, 14, 28) abgegebene elektromagnetische Strahlung, welche aus dem photonischen Kristall (1) austritt, in einen als von dem photonischen Kristall (1) verschiedenes Bauelement ausgebildeten Detektor (55) des Gassensor (5) eintritt und mittels des Detektors (55) detektiert wird.