Neuartige photonische Strukturen können als winzige und hochgenaue Sensoren für Temperatur und Feuchtigkeit fungieren

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Viele Maschinen wie Turbinen, Ölbohrer, Gesundheitsmonitore und Kernreaktoren benötigen interne Sensoren, um physikalische Zustände wie die Temperatur zu überwachen. Um diese Herausforderung zu meistern, entwickeln die Forscher von A * STAR kompakte photonische Siliziumsensoren, die genaue Messwerte liefern können, ohne durch toxische, korrosive oder sogar explosive Bedingungen in den Maschinen beschädigt zu werden.

Das expandierende Feld der Silizium-Photonik verwendet Strukturen, die als Wellenleiter bezeichnet werden, um elektromagnetische Wellen auf eine oder zwei Dimensionen zu beschränken, so dass sich die Welle als Reaktion auf externe Faktoren ändert. Wellenleiter können extrem klein sein und können leicht in elektronische Schaltungen integriert werden, um Informationen aufzuzeichnen.

In einem kürzlich erschienenen Beispiel ihrer Arbeit entwickelte Ji Fang Tao vom A * STAR-Institut für Mikroelektronik und Mitarbeiter einen winzigen optischen Temperatursensor mit einer Größe von nur 120 mal 80 Mikrometern, der einem klassischen experimentellen Design namens Michelson Interferometer1 nachempfunden war. Das Gerät teilt Licht in zwei Strahlen auf, die sich durch unterschiedliche Materialien bewegen und dann wieder zusammengebracht werden. Das resultierende Interferenzmuster gibt Auskunft über das Licht und die Umgebungstemperatur.

"Temperaturänderungen können die optischen Eigenschaften einiger Materialien verändern", erklärt Tao. "In unserem Sensor verändert die Temperatur den Brechungsindex der Wellenleiter. Das Michelson Interferometer ist ein leistungsfähiges Design, das uns ermöglicht, diese refraktiven Veränderungen aufzunehmen und somit die Temperaturänderungen zu berechnen."

Eines der herausragenden Merkmale des Geräts ist, dass es keine Spiegel benötigt und stattdessen Licht durch Schleifen leitet, um es zum Interferenzpunkt zurückzubringen. Die Forscher fanden heraus, dass sie eine große Bandbreite von Temperaturen messen können und waren zudem etwa 20-mal empfindlicher gegenüber kleinen Temperaturänderungen als existierende faseroptische Sensoren.

Die Temperatur ist nur eine Eigenschaft, die Tao und sein Team mithilfe der Silizium-Photonik messen können. Kürzlich entwickelten sie ein winziges photonisches Hygrometer (siehe Bild), das die lokale Taupunkttemperatur erkennt, indem es die Brechungseigenschaften von Wasser erkennt, wenn Tröpfchen im Wellengang kondensieren. Diese Information kann dann mit dem Temperatursensor kombiniert werden, um die relative Feuchtigkeit mit einer sehr hohen Genauigkeit zu berechnen.

Die Anwendungen solcher vielseitiger, kompakter und kostengünstiger Umweltsensoren könnten unbegrenzt sein, und Tao und Mitarbeiter aus Singapur und China stehen erst am Anfang ihrer Reise. "Silizium-Photonik und optische mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind zwei erstaunliche Technologien für die Sensorentwicklung", sagt er. "Jetzt können wir Temperatur, Taupunkt und Feuchtigkeit mit höchster Genauigkeit messen. Der nächste Schritt ist die Entwicklung von photonischen Sensoren auf dem Chip."

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