Wissenschaftler entwickeln kostengünstiges Gasspektroskopie-System

16.06.2014 - Deutschland

Wissenschaftler des IHP- Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik und des DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt aus Berlin, entwickelten ein kompaktes und kostengünstiges Sensorsystem für die Gasspektroskopie im Bereich um 245 GHz.

Dieses Sensorsystem verwendet erstmalig einen integrierten Silizium (Si)-Germanium(Ge)-Sender sowie einen integrierten SiGe-Empfänger. Sender und Empfänger wurden in der siliziumbasierten Höchstfrequenz-Technologie des IHP kostengünstig hergestellt. In der neuesten Ausgabe der Electronics Letters werden diese beiden 245 GHz SiGe-Chips und das dazugehörige Sensorsystem beschrieben und hochauflösende spektroskopische Messungen für Methanol präsentiert.

Ein derartiges kostengünstiges Sensorsystem aus 245 GHz Gasspektroskopie-Systemen mit integrierten SiGe-Chips hat ein großes Anwendungspotential, z.B. im Sicherheitsbereich für den Nachweis toxischer Gase, aber auch für die Kontrolle chemischer Prozesse, wie z.B. des Plasmaätzens in der Halbleitertechnologie. Eine weitere potentielle Anwendung liegt im Einsatz im Gesundheitsbereich. Hier können durch die Durchführung einer Atemluftanalyse von Patienten, Lungenkrankheiten frühzeitig diagnostiziert werden.

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Die Millimeterwellen-Absorptionsspektroskopie ist eine bekannte Labortechnik, die in der Labor-Molekülspektroskopie und in der Radioastronomie eingesetzt wird, um die Konzentration eines Moleküls absolut zu bestimmen. Auf Grund der bisherigen Strahlungsquellen als auch der Größe der Detektoren waren die Geräte unhandlich und sehr teuer. Seit einigen Jahren gibt es allerdings kommerzielle Strahlungsquellen, die auf der Vervielfachung von Mikrowellenfrequenzen basieren. Diese Systeme sind zwar kompakt, aber aufgrund ihrer aufwendigen Herstellung immer noch teuer.

Unlängst wurde von einer Forschergruppe aus den USA ein Gasspektroskopie-Sensorsystem für den Bereich von 210 GHz bis 270 GHz vorgestellt, das aus kommerziell verfügbaren mm-Wellen Komponenten aufgebaut ist. Die Kosten für ein derartiges System werden gegenwärtig durch die hohen Herstellungskosten für die mm-Wellen Komponenten dominiert. Die Herausforderung bestand deshalb darin, ein wesentlich preisgünstigeres Sensorsystem auf Basis einer integrierten Halbleitertechnologie wie der SiGe- oder CMOS-Technologie zu entwickeln.

Am IHP ist es gelungen, Prototypen eines Transmitters und Empfänger mit integrierter Antenne in SiGe-Technologie zu entwickeln, die im Frequenzbereich von 238 GHz bis 252 GHz arbeiten. Da in Si-Technologie ausgeführt, sind diese Komponenten mit in der Halbleiterindustrie etablierten Herstellungsverfahren kompatibel und können preiswert hergestellt werden. Damit wurde die technologische Basis für einen preiswerten Gas-Sensor geschaffen.

Inzwischen wurde am IHP in Zusammenarbeit mit dem DLR, Berlin ein Gasspektroskopie-System realisiert, welches einen 245 GHz SiGe-Sender- und einen Empfänger-Chip verwendet. Die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems wurde anhand des gemessenen Absorptionsspektrums für Methanol nachgewiesen.

Der Demonstrator verwendet eine optische Bank, auf der das Sender- und Empfängermodul montiert wurden. Der effektive Antennengewinn für den Sender bzw. Empfänger wird durch eine Linse erhöht. Für die gasspektroskopischen Messungen wurde eine 0,6 m lange Gasabsorptionszelle zwischen das Sender- und das Empfängermodul gestellt. Das Zwischenfrequenzsignal des Empfängers wurde dann in Abhängigkeit von der Frequenz des Senders mittels kommerzieller Labormesstechnik aufgezeichnet. Ein integrierter Lokaloszillator wurde sowohl für den Sender als auch für den Empfänger verwendet, wobei seine Frequenz mittels eines externen PLL (Phasenregelschleife)-Bausteins stabilisiert wurde. Die beiden PLL-Bausteine verwenden hierbei zwei Referenzfrequenzen mit konstantem Frequenzversatz, um für den Empfänger eine konstante Zwischenfrequenz während eines Frequenzdurchlaufes zu erreichen. Eine geringe Amplitudenänderung des Empfängersignals infolge von Gasabsorption kann so detektiert und in Abhängigkeit von der Senderfrequenz für die Gasspektroskopie abgespeichert werden.