DE102005008077B4 - Radiator, and device and method for analyzing the qualitative and / or quantitative composition of fluids with such a radiator - Google Patents

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Abstract

Strahler, insbesondere thermischer Strahler im infraroten Spektralbereich, mit einem photonischen Kristall (10, 20, 30), wobei die Strahlung durch lokale Temperaturänderung ausschließlich in einem Teilbereich (13, 23, 73) des photonischen Kristalls (10, 20, 30) erzeugbar ist.spotlight, in particular thermal radiator in the infrared spectral range, with a photonic crystal (10, 20, 30), wherein the radiation by local temperature change exclusively in a partial region (13, 23, 73) of the photonic crystal (10, 20, 30) can be generated.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahler, insbesondere einen thermischen Strahler im infraroten Spektralbereich sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden mit einem solchen Strahler.The The present invention relates to a radiator, in particular a thermal radiator in the infrared spectral range and a device and a method of analyzing the qualitative and / or quantitative Composition of fluids with such a radiator.

Für die qualitative und/oder quantitative Analyse der Zusammensetzung von Fluiden (d.h. Gasen oder Flüssigkeiten) werden häufig optische Meßverfahren eingesetzt. Ein übliches Meßverfahren ist dabei die Absorptionsspektroskopie, welches auf einer spezifischen Absorption elektromagnetischer Strahlung definierter Wellenlängenbereiche durch die verschiedenen Komponenten des Fluides beruht. So weisen viele Gase, wie z.B. CO, CO2 oder CH4, Absorptionslinien insbesondere im Infrarotbereich auf. Eine Sonderform der Absorptionsspektroskopie ist dabei die Photoakustik (PAS), bei der die Absorption über eine Druckänderung akustisch nachgewiesen wird.For the qualitative and / or quantitative analysis of the composition of fluids (ie gases or liquids) optical measuring methods are often used. A common measuring method is absorption spectroscopy, which is based on a specific absorption of electromagnetic radiation of defined wavelength ranges by the various components of the fluid. Thus, many gases, such as CO, CO 2 or CH 4 , absorption lines, especially in the infrared range. A special form of absorption spectroscopy is photoacoustics (PAS), in which the absorption is acoustically detected by a pressure change.

Aufgrund der starken und molekülspezifischen spektralen Absorptionsstrukturen im mittleren Infrarotbereich (mit einer Wellenlänge von 3 bis 20 μm) bietet sich dieser Spektralbereich besonders für einen empfindlichen Nachweis bzw. ein Analyseverfahren an.by virtue of the strong and molecule-specific spectral absorption structures in the mid-infrared range (with a wavelength from 3 to 20 μm) This spectral range is particularly suitable for sensitive detection or an analysis method.

In der Regel wird hierfür aus Kostengründen ein thermischer Infrarotstrahler verwendet. Allerdings wird eine spektrale Leistungsdichte der thermischen Infrarotstrahler durch die Planck-Kurve physikalisch begrenzt. Aufgrund dieser geringen Leistungsfähigkeit der zur Verfügung stehenden Lichtquellen wird eine Nachweisstärke derartiger Analyseverfahren und Analysegeräte bestimmt und begrenzt.In The rule will be for this for cost reasons used thermal infrared radiator. However, a spectral Power density of thermal infrared radiators through the Planck curve physically limited. Because of this low efficiency the available standing light sources is a detection strength of such analysis methods and analyzers determined and limited.

Laserlichtquellen oder andere kohärente Strahlungsquellen sind für die meisten Anwendungen zu aufwendig bzw. zu teuer. Dies gilt speziell für den langwelligen Teil des mittleren Infrarots, z.B. im Bereich um 10 μm Wellenlänge. Dieser Spektralbereich wird auch „Fingerprint-Bereich" genannt, weil dort charakteristische Absorptionsbanden vieler Verbindungen liegen.Laser light sources or other coherent radiation sources are for most applications too expensive or too expensive. This is especially true for the long-wave part of the middle infrared, e.g. in the range around 10 μm wavelength. This Spectral range is also called "fingerprint range" because there characteristic absorption bands of many compounds.

Insbesondere in diesem Spektralbereich ist eine effiziente Lichtquelle wünschenswert.Especially In this spectral range, an efficient light source is desirable.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Lichtquelle, insbesondere einen effizienten thermischen Strahler, zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object of the present invention, an efficient Light source, in particular an efficient thermal radiator, available too put.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Strahler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.These The object is achieved by a radiator with the features of claim 1.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein neuartiger Strahler auf Basis photonischer Kristalle zur Verfügung gestellt.By The present invention is based on a novel radiator photonic crystals available posed.

Die lokale Temperaturänderung kann dabei durch eine induktive und/oder resistive Heizung des Teilbereiches des photonischen Kristalls erzeugbar sein.The local temperature change can by an inductive and / or resistive heating of the sub-area of the photonic crystal be generated.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der vorliegende Strahler ein in die Poren des Teilbereiches eines photonischen Kristalls eingebrachtes magnetisches Material auf, welches induktiv, insbesondere über zumindest eine auf einer Oberfläche des photonischen Kristalls angeordnete Induktionsspule aufheizbar ist.According to one preferred embodiment has the present radiator in the pores of the subregion of a photonic crystal introduced magnetic material which is inductive, in particular via at least one on a surface of the photonic crystal arranged induction coil is heated.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der vorliegende Strahler ein in die Poren des Teilbereiches des photonischen Kristalls eingebrachtes, elektrisch leitfähiges, insbesondere halbleitendes oder metallisches Material auf, welches durch direkten Stromfluß über Kontakte an der Oberfläche des photonischen Kristalls und/oder induktiv über ein magnetisches Wechselfeld aufheizbar ist.According to one another preferred embodiment has the present radiator in the pores of the subregion of the photonic crystal introduced, electrically conductive, in particular semiconducting or metallic material, which by direct current flow through contacts on the surface of the photonic crystal and / or inductively via a magnetic alternating field is heatable.

Der photonische Kristall kann eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional oder als photonische Hohlfaser ausgebildet sein.Of the Photonic crystal can be one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional or be formed as a photonic hollow fiber.

Der photonische Kristall kann zudem aus einem Material gebildet sein, welches eine gute Transmissionseigenschaft im mittleren Infrarotbereich aufweist.Of the photonic crystal can also be formed from a material, which has a good transmission property in the mid-infrared range having.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn der photonische Kristall aus einem Material gebildet sein, welches eine Temperaturbeständigkeit zumindest bis 1000 K aufweist.moreover It is advantageous if the photonic crystal of a material be formed, which has a temperature resistance at least up to 1000 K has.

Weiterhin kann der photonische Kristall aus makroporösem Silizium, SiO2, oder AL2O3, oder Ge, Chalkogenidglas, BaF2, CaF2 oder Kohlenstoff gebildet sein.Furthermore, the photonic crystal may be formed of macroporous silicon, SiO 2 , or AL 2 O 3 , or Ge, chalcogenide glass, BaF 2 , CaF 2, or carbon.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des Strahlers ist das in die Poren des photonischen Kristalls einzubringende, magnetische und/oder elektrisch leitfähige Material, beispielsweise Fe, Ni, Pt, Ta oder W mittels Infiltration einer flüssigen Lösung oder Schmelze oder durch schichtförmiges Abscheiden wie PVD oder CVD-Verfahren in die vordefinierte photonische Struktur einbringbar. Das in die Poren des photonischen Kristalls einzubringende, magnetische und/oder elektrisch leitende Material kann jedoch auch durch Beimengungen bei der Kristallzucht bei der Herstellung des photonischen Kristalls einbringbar sein.According to a further preferred embodiment of the radiator is the magnetic and / or electrically conductive material to be introduced into the pores of the photonic crystal, for example Fe, Ni, Pt, Ta or W by infiltration of a liquid solution or melt or by layered deposition such as PVD or CVD Method can be introduced into the predefined photonic structure. The magnetic and / or electrically conductive to be introduced into the pores of the photonic crystal However, material can also be introduced by admixtures during crystal growth during the production of the photonic crystal.

Optische Meßgeräte zur Bestimmung der Zusammensetzung von Fluiden sind häufig aus diskreten Bauelementen zusammengesetzt, d.h. sie bestehen aus einem Strahler, einer Abbildungsoptik, einer Meßzelle, einer Detektionsoptik und einem Detektorelement sowie der zugehörigen Ansteuer- und Auswerteelektronik. Für einen kompakten Sensor sollten diese Einzelkomponenten jedoch möglichst integriert, d.h. idealerweise auf einem gemeinsamen Substrat (z.B. einem Halbleiterchip) vorliegen.optical Measuring instruments for determination The composition of fluids are often discrete components composed, i. they consist of a spotlight, an imaging optics, a measuring cell, a detection optics and a detector element and the associated drive and evaluation electronics. For However, a compact sensor should integrate these individual components as much as possible, i.e. ideally on a common substrate (e.g., a semiconductor chip) available.

Besonders nachteilig an den bekannten optischen Meßgeräten mit diskreten Bauelementen ist, daß das Infrarotlicht aus dem Strahler austritt, bevor eine Interaktion mit dem Gas in einem gaserfüllten Hohlraum stattfindet. Zudem ist meist der Raum zur Interaktion zwischen Gas und Strahlung nicht als spezieller Wellenleiter ausgebildet.Especially disadvantageous in the known optical measuring devices with discrete components is that the Infrared light emanates from the radiator before an interaction with the gas in a gas filled cavity takes place. In addition, most of the space is the interaction between gas and radiation is not designed as a special waveguide.

Aus der Offenlegungsschrift DE 100 63 151 A1 ist eine kompakte Meßanordnung bekannt, bei der ein Wechselwirkungsabschnitt für die Interaktion von elektromagnetischer Strahlung und Fluid als ein photonischer Kristall mit reduzierter Gruppengeschwindigkeit für bestimmte Lichtausbreitungsrichtungen und Lichtwellenlängen ausgebildet ist. Dieser Wechselwirkungsabschnitt kann Teil eines Wellenleiters sein.From the publication DE 100 63 151 A1 For example, a compact measuring arrangement is known in which an interaction section for the interaction of electromagnetic radiation and fluid is designed as a reduced group velocity photonic crystal for certain light propagation directions and wavelengths of light. This interaction section may be part of a waveguide.

Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den photonischen Wechselwirkungsabschnitt in angepaßte („getaperte") Wellenleiterstrukturen einzufügen, um eine gute Lichteinkopplung in den Wechselwirkungsabschnitt zu erreichen. Gemäß der Offenbarung der DE 100 63 151 A1 ist eine separate Lichtquelle vorgesehen, welche keinen integralen Bestandteil des photonischen Kristalls bildet. Dementsprechend wird die Infrarotstrahlung von der Lichtquelle emittiert und muss in den Wellenleiter (als Teil des photonischen Kristalls) eingekoppelt werden.For example, it may be advantageous to insert the photonic interaction section into matched ("tapered") waveguide structures to achieve good light coupling into the interaction section DE 100 63 151 A1 a separate light source is provided which does not form an integral part of the photonic crystal. Accordingly, the infrared radiation from the light source is emitted and must be coupled into the waveguide (as part of the photonic crystal).

In photonischen Strukturen sind in definierten Spektralbereichen erhöhte Strahlungsintensitäten bei der Emission geheizter Strukturen gegenüber unstrukturierten Emittern beobachten worden. Bei Austritt der Strahlung aus dem photonischen Kristall wird dieser Vorteile aber wieder aufgehoben. Daher wird – während für bestimmte Wellenlängen und Ausbreitungsrichtungen in einem photonischen Kristall aufgrund der speziellen photonischen Wandstruktur eine erhöhte photonische Zustandsdichte als in einem klassischen Schwarzkörperstrahler vorliegt – bei der Auskopplung der Strahlung diese Zustandsdichte wieder auf die eines Schwarzkörperstrahlers reduziert. Folglich ist es grundsätzlich nicht möglich, durch eine geeignete Strukturierung des thermischen Emittermaterials eine Glühlampe mit höherer totaler und spektraler Strahldichte als ein klassischer Schwarzkörperstrahler bei gleicher Temperatur zu realisieren.In Photonic structures are added in defined spectral regions increased radiation intensities the emission of heated structures versus unstructured emitters have been watching. At the exit of the radiation from the photonic Crystal will be lifted but these benefits again. Therefore - while for certain wavelength and propagation directions in a photonic crystal due the special photonic wall structure an increased photonic Density of states as in a classic black body radiator is present - in the Decoupling the radiation, this density of states back to the one Black body radiator reduced. Consequently, it is not possible in principle a suitable structuring of the thermal emitter material a light bulb with higher total and spectral radiance as a classic black body radiator to realize at the same temperature.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse der qualitativen oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden anzugeben, bei der die für den Nachweis der Zusammensetzung der Fluide notwendige Strahlung auf effektive Art und Weise erzeugbar ist.It Therefore, another object of the present invention is a method and a device for analyzing the qualitative or quantitative composition of fluids to be used for the detection of the composition the fluids necessary radiation generated in an effective manner is.

Die vorgenannte Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 23 gelöst.The The above object is in device-technical terms a device with the features of claim 10 solved. In process engineering The above object is achieved by a method with the Characteristics of claim 23 solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich dabei insbesondere dadurch aus, daß die Lichterzeugung von breitbandigem IR-Licht bereits in der Wellenleiterstruktur vorgenommen wird. Damit wird auch die erzeugte Strahlung in einer photonischen Wellenleiterstruktur belassen und dort für den Nachweis der Zusammensetzung von Fluiden verwendet. Dementsprechend wird der vorgenannte Strahler bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren so verwendet, daß das Infrarotlicht von der Erzeugung bis zur Detektion in einer geeigneten (vorzugsweise photonisch strukturierten) Wellenleiterstruktur geführt wird. Dementsprechend wird mit der vorliegenden Erfindung eine selektive inkohärente Lichtquelle für die Analyse der Zusammensetzung von Fluiden geschaffen. Hierdurch werden hochempfindliche, kompakte und spezifische Gas- und Flüssigkeitssensoren ermöglicht, die in der Produktions- und Prozeßmeßtechnik, im Automobilbereich, in der Sicherheitstechnik und in der Klima- und Umweltsensorik einsetzbar sind.The inventive method and the device according to the invention characterized in particular by the fact that the light production of broadband IR light is already made in the waveguide structure. In order to Also, the generated radiation is in a photonic waveguide structure leave and there for used the detection of the composition of fluids. Accordingly becomes the aforementioned radiator in the device according to the invention and the method of the invention so used that Infrared light from generation to detection in a suitable (preferably photonically structured) waveguide structure is guided. Accordingly, with the present invention, a selective incoherent Light source for created the analysis of the composition of fluids. hereby become highly sensitive, compact and specific gas and liquid sensors allows those in production and process measuring technology, in the automotive sector, can be used in safety technology and in climate and environmental sensors are.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 11 bis 22 aufgeführt. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 24 und 25 aufgeführt.preferred embodiments the device according to the invention are in the dependent claims 11th to 22 listed. Preferred embodiments of the method according to the invention in the dependent claims 24 and 25 listed.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to preferred embodiments in conjunction with the associated Drawings closer explained. In these show:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des vorliegenden Strahlers mit einem zweidimensionalen, induktiv (lokal) aufgeheizten photonischen Kristall, 1 a schematic representation of an embodiment of the present radiator with a two-dimensional, inductively (locally) up heated photonic crystal,

2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des vorliegenden Strahlers mit einer elektrischen (lokalen) Aufheizung des photonischen Kristalls, 2 a schematic representation of another embodiment of the present radiator with an electrical (local) heating of the photonic crystal,

3 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung mit parallelen Meß- und Referenzkanälen, und 3 a schematic representation of a measuring arrangement with parallel measuring and reference channels, and

4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Meßanordnung mit einem Meßkanal und einer elektrischen Heizungsregelung (auf konstante Temperatur) in Verbindung mit einer Messung der elektrischen Leistungsaufnahme bei dieser konstanten Temperatur. 4 a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement with a measuring channel and an electric heating control (at constant temperature) in conjunction with a measurement of the electrical power consumption at this constant temperature.

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem zweidimensionalen photonischen Kristall 10 zur Bildung der selektiven inkohärenten Lichtquelle über einen thermischen Strahler im infraroten Spektralbereich. 1 schematically shows a section of a two-dimensional photonic crystal 10 for forming the selective incoherent light source via a thermal radiator in the infrared spectral range.

Vorliegend sind im Grundmaterial des photonischen Kristalls (beispielsweise einem Si-Wafer) säulenartige Bereiche 11 ausgebildet, wodurch eine periodische dielektrische Struktur gebildet ist, deren Periodenlänge so eingestellt ist, daß sie die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen. Hierdurch entsteht – analog zur Ausbildung der elektronischen Bandstruktur – eine photonische Bandstruktur, die Bereiche verbotener Energie aufweist, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können (photonische Bandlücken).In the present case, in the base material of the photonic crystal (for example, a Si wafer), columnar regions are used 11 is formed, whereby a periodic dielectric structure is formed, whose period length is set so that they influence the propagation of electromagnetic waves in a similar manner as the periodic potential in semiconductor crystals, the propagation of electrons. This creates - analogous to the formation of the electronic band structure - a photonic band structure, which has areas of forbidden energy, in which electromagnetic waves can not propagate within the crystal (photonic band gaps).

Bei der vorliegend dargestellten zweidimensionalen Struktur des photonischen Kristalls 10 sind die Bereiche mit erhöhtem oder erniedrigtem Brechungsindex in Form von Säulen 11 dargestellt, welche auch als Poren bezeichnet werden. Hierfür eignet sich insbesondere makroporöses Material, welches sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale photonische Kristalle bilden kann. Eine Wandung der Poren ist in 1 mit dem Bezugszeichen 12 beispielhaft herausgegriffen.In the two-dimensional structure of the photonic crystal shown here 10 are the regions of increased or decreased refractive index in the form of columns 11 represented, which are also referred to as pores. Particularly suitable for this purpose is macroporous material which can form both two-dimensional and three-dimensional photonic crystals. A wall of pores is in 1 with the reference number 12 exemplary picked out.

Anstelle der dargestellten zweidimensionalen photonischen Struktur (z. B. ein Wafer aus makroporösem Silizium) kann auch eine eindimensionale photonische Struktur (z.B. eine Interferenzfilterstruktur) oder eine dreidimensionale photonische Struktur (z.B. eine infiltrierte Opalstruktur) verwendet werden. Ebenso ist es möglich, den photonischen Kristall als photonische Hohlfaser auszubilden.Instead of the illustrated two-dimensional photonic structure (e.g. a wafer made of macroporous Silicon) may also have a one-dimensional photonic structure (e.g. an interference filter structure) or a three-dimensional photonic Structure (e.g., an infiltrated opaline structure). As well Is it possible, to form the photonic crystal as a photonic hollow fiber.

Als Materialien für den photonischen Kristall werden vorzugsweise makroporöses Silicium, SiO2, oder AL2O3 verwendet. Ebenso sind Materialien wie Ge, Chalkogenidgläser, BaF2 und CaF2 oder Kohlenstoff (z.B. diamantartige Schichten) einsetzbar.As materials for the photonic crystal, it is preferable to use macroporous silicon, SiO 2 , or AL 2 O 3 . Likewise, materials such as Ge, chalcogenide glasses, BaF 2 and CaF 2 or carbon (eg diamond-like layers) can be used.

Die in 1 dargestellte photonische Struktur ist als offenporige Struktur dargestellt. Neben der Ausbildung als offenporige Struktur ist jedoch auch die Ausbildung als vollständig oder teilweise beschichtete und damit zur Umgebung hin abgeschlossene Struktur möglich.In the 1 shown photonic structure is shown as open-pore structure. In addition to the training as an open-pored structure, however, the training as completely or partially coated and thus closed to the environment structure is possible.

Bei einer Anwendung im mittleren Infrarotbereich müssen die Materialien eine gute Infrarottransmission aufweisen.at In a mid-infrared application, the materials must have a good Have infrared transmission.

Gute Transmissionseigenschaften liegen vor bei einer Transmission durch das gesamte Material von größer als 10 %, d.h. bei einer Absorptionskonstanten des Materials von α kleiner als 0,1 cm–1 im Spektralbereich des mittleren Infrarots, z.B. von 3–12 μm Wellenlänge oder in den durch die jeweilige Anwendung festgelegten Teilspektralbereichen, wie 4,2 bis 4,3 μm für CO2-Nachweis. Eine vergleichsweise schlechte IR-Transmission liegt vor bei einer Absorptionskonstante von α kleiner als 10 cm–1.Good transmission properties are present at a transmission through the entire material of greater than 10%, ie at an absorption constant of the material of α less than 0.1 cm -1 in the spectral range of the mid-infrared, for example 3-12 microns wavelength or in by the respective application specified partial spectral ranges, such as 4.2 to 4.3 microns for CO 2 detection. A comparatively poor IR transmission is present at an absorption constant of α less than 10 cm -1 .

Außerdem müssen die Materialien zumindest im geheizten Bereich eine ausreichende Temperaturbeständigkeit, vorzugsweise bis mindestens ca. 1000 K, aufweisen.In addition, the Materials at least in the heated area a sufficient temperature resistance, preferably to at least about 1000 K, have.

In den schraffierten Bereichen 13 der Poren 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 ist ein magnetisches Material angeordnet, d.h. die Poren 11 sind teilweise mit dem magnetischen Material 13 erfüllt bzw. mit diesem beschichtet. Benachbart zum photonischen Kristall 10 und insbesondere benachbart zu den (teilweise) mit magnetischen Material erfüllten oder beschichteten Poren 11 ist zumindest eine Induktionsspule 14 angeordnet.In the hatched areas 13 the pores 11 according to the embodiment in 1 a magnetic material is arranged, ie the pores 11 are partly with the magnetic material 13 met or coated with this. Adjacent to the photonic crystal 10 and in particular adjacent to the (partially) filled with magnetic material or coated pores 11 is at least one induction coil 14 arranged.

Mittels der Induktionsspule 14 wird ein magnetisches Wechselfeld an den photonischen Kristall zumindest lokal angelegt, wobei das magnetische Wechselfeld mit dem magnetischen Material in den Poren wechselwirkt und Energie des magnetischen Wechselfeldes in das magnetische Material eingekoppelt wird.By means of the induction coil 14 an alternating magnetic field is applied to the photonic crystal at least locally, wherein the alternating magnetic field interacts with the magnetic material in the pores and energy of the alternating magnetic field is coupled into the magnetic material.

Das magnetische Material wird über die induktive Erwärmung mittels der Induktionsspule 14 lokal auf hohe Temperaturen (ca. 1000 K) aufgeheizt. Dabei ist das aufgeheizte Materialvolumen vorzugsweise < 10–3 mm3. Der photonische Kristall 10 ist daher derart ausgebildet, daß die Erwärmung aufgrund der (geringen) Wärmeleitfähigkeit des Kristalls lokal begrenzt bleibt.The magnetic material is via the inductive heating by means of the induction coil 14 locally heated to high temperatures (about 1000 K). The heated volume of material is preferably <10 -3 mm 3 . The photonic crystal 10 is therefore designed such that the heating due to the (low) thermal conductivity of the crystal remains locally limited.

Eine geringe Wärmeleitfähigkeit weist beispielsweise Al2O3-Keramik mit einem Wärmeleitkoeffizienten λ kleiner als 10 W/(m·K) auf. Für poröses Silizium werden λ-Werte von kleiner als 0,5 W/(m·K) genannt. Vorliegend heißt „gering", daß der Wärmeleitkoeffizient λ kleiner als 10 W/(m·K) ist. Demgegenüber kann bei einem Wärmeleitkoeffizienten mit λ größer 100 W/(m·K) von einer „guten" Wärmeleitfähigkeit gesprochen werden. Beispielsweise weisen Silizium einen λ-Wert von 148 W/(m·K) und Kupfer einen λ-Wert von 393 W/(m·K) auf.A low thermal conductivity indicates For example, Al 2 O 3 ceramic with a Wärmeleitkoeffizienten λ less than 10 W / (m · K) on. For porous silicon, λ values of less than 0.5 W / (m · K) are called. In the present case, "low" means that the heat conduction coefficient λ is less than 10 W / (m · K). In contrast, with a heat conduction coefficient with λ greater than 100 W / (m · K), it can be said that the thermal conductivity is "good". For example, silicon has a λ value of 148 W / (m · K) and copper has a λ value of 393 W / (m · K).

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel (welches in 2 gezeigt ist), werden Poren eines Teilbereiches des photonischen Kristalls 20 mit einem metallischen Material 23 (teilweise) gefüllt bzw. beschichtet. An der Ober- und/oder Unterseite des photonischen Kristalls 20 sind gegenüberliegend zu den mit dem metallischen Material gefüllten bzw. beschichteten Poren elektrische Kontakte 24 angeordnet. Mittels direktem Stromfluss über die elektrischen Kontakte 24 wird das elektrisch leitende Material in den Poren resistiv aufgeheizt.According to a further preferred embodiment (which in 2 is shown) become pores of a portion of the photonic crystal 20 with a metallic material 23 (partially) filled or coated. At the top and / or bottom of the photonic crystal 20 are opposite to the metallic material filled or coated pores electrical contacts 24 arranged. By means of direct current flow via the electrical contacts 24 The electrically conductive material is heated resistively in the pores.

Bei Materialien, welche elektrisch leitfähig sind und zugleich magnetische Eigenschaften aufweisen, können elektrische und magnetische Aufheizung kumulativ eingesetzt werden. Ebenso können die Poren teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material und teilweise mit einem magnetische Eigenschaften aufweisenden Material erfüllt/beschichtet sein.at Materials that are electrically conductive and magnetic at the same time Properties may have electric and magnetic heating can be used cumulatively. Likewise, the Pores partially with an electrically conductive material and partially be filled / coated with a material having magnetic properties.

Vorliegend wird ausschließlich ein Teil des photonischen Kristalls 20 mit dem elektrisch leitenden Material 23 bzw. mit dem magnetische Eigenschaften aufweisenden Material 13 versehen und eine lokale Erwärmung erzeugt.In the present case, only a part of the photonic crystal is used 20 with the electrically conductive material 23 or with the magnetic properties having material 13 provided and generates a local warming.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Strahlers sind zumindest die mit dem elektrisch leitfähigen Material erfüllten Poren 23 mittels einer elektrisch leitfähigen Schicht, welche die Kontakte 24 bildet, beschichtet.At the in 2 shown embodiment of the radiator are at least the filled with the electrically conductive material pores 23 by means of an electrically conductive layer containing the contacts 24 forms, coated.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind darüber hinaus auch die Öffnungen der (nicht mit dem elektrisch leitfähigen Material erfüllten) Poren 21 beschichtet, wodurch die Poren 21 gegenüber der Umgebung abgeschlossen sind.According to the embodiment according to 2 In addition, the openings of the (not filled with the electrically conductive material) pores are beyond 21 coated, reducing the pores 21 Completed towards the environment.

Der photonische Kristall kann gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel auch als photonische Hohlfaser („photonic crystal fibre", „PCF") ausgebildet sein. Der beheizbare Abschnitt der photonischen Struktur ist gemäß diesem besonderen Ausführungsbeispiel ein entsprechend modifizierter, d.h. mit einem magnetischen oder elektrisch leitfähigen Material gefüllter Abschnitt in der Hohlfaser. Die elektromagnetische Heizung wird dabei dadurch vorgenommen, daß der entsprechende Faserabschnitt in eine Spule eingebracht wird.Of the photonic crystal can according to a special embodiment also be designed as photonic hollow fiber ("photonic crystal crystal", "PCF"). The heatable portion of the photonic structure is according to this particular embodiment a correspondingly modified, i. with a magnetic or electrically conductive material filled Section in the hollow fiber. The electromagnetic heating will thereby made by the fact that the corresponding fiber section is introduced into a coil.

Mit der Ausbildung als photonische Hohlfaser wird ein Wellenleiter geschaffen, wodurch die Lichtquelle und der nachstehend noch im einzelnen ausgeführte Wechselwirkungsabschnitt 50 mit einem größeren Abstand zueinander angeordnet werden können. Beispielsweise kann die erzeugte Strahlung über mehrere Meter ohne Einkoppel- bzw. Auskoppelvorgänge weitergeleitet werden, bevor es zur Wechselwirkung der Strahlung mit dem zu detektierenden Fluid kommt.With the formation as a photonic hollow fiber, a waveguide is provided, whereby the light source and the interaction section executed in detail below 50 can be arranged with a greater distance from each other. For example, the radiation generated over several meters without coupling or decoupling operations are forwarded before it comes to the interaction of the radiation with the fluid to be detected.

Die magnetischen und/oder elektrisch gut leitenden, vorzugsweise metallischen, aufzuheizenden Materialien (wie Fe, Ni, Pt, Ta, W), werden beispielsweise durch infiltrieren einer geeigneten flüssigen Lösung oder Schmelze oder durch schichtförmiges Abscheiden wie PVD, oder CVD-Verfahren in die zuvor definierte photonische Struktur eingebracht. Es ist ebenfalls möglich, das aufzuheizende Material schon bei der Herstellung des photonischen Kristalls durch entsprechende Beimengungen bei der Kristallzucht einzubringen.The magnetic and / or electrically highly conductive, preferably metallic, to be heated materials (such as Fe, Ni, Pt, Ta, W), for example by infiltrating a suitable liquid solution or melt or by layered Deposition such as PVD, or CVD method in the previously defined photonic Structure introduced. It is also possible, the material to be heated already in the production of the photonic crystal by appropriate Add admixtures in the crystal growing.

Die Abkürzung „PVD" steht hierbei für „physical vapour deposition", d.h. also für Beschichtungsverfahren wie Aufdampfen oder Sputtern. Die Abkürzung für „CVD" steht für „chemical vapour deposition". Wichtige CVD-Verfahren der Mikrotechnik sind insbesondere APCVD (Normaldruckverfahren/Atmospheric Pressure CVD bei Atmosphärendruck und T ≈ 1000–1300°C), LPCVD (Niederdruckverfahren/Low Pressure CVD bei p = 0.01–10 mbar und T = 500–1000°C), und PECVD (Plasma-CVD/Plasma Enhanced CVD bei p ≈ 1 mbar und T = 200–500°C). Bei APCVD und LPCVD erfolgt die Aktivierung der Reaktion thermisch durch Wärme, bei PECVD durch Wärme und Elektronenstoß im Plasma der Niederdruckentladung.The Abbreviation "PVD" stands for "physical vapor deposition ", i.e. So for Coating methods such as vapor deposition or sputtering. The abbreviation for "CVD" stands for "chemical vapor deposition ". Important CVD methods of microtechnology are in particular APCVD (Normal Pressure Method / Atmospheric Pressure CVD at atmospheric pressure and T ≈ 1000-1300 ° C), LPCVD (Low pressure method / low pressure CVD at p = 0.01-10 mbar and T = 500-1000 ° C), and PECVD (Plasma CVD / Plasma Enhanced CVD at p ≈ 1 mbar and T = 200-500 ° C). At APCVD and LPCVD, activation of the reaction occurs thermally by heat PECVD by heat and electron impact in the Plasma of low pressure discharge.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden schematisch in seinen Grundzügen dargelegt.In 3 an embodiment of the apparatus for analyzing the qualitative and / or quantitative composition of fluids is set out schematically in its basic features.

Der photonische Kristall 30 ist dabei vorliegend aus einem makroporösen Material, z. B. einem Si-Wafer, ausgebildet. An der Ober- und Unterseite des Si-Wafers 30 ist jeweils eine Substratschicht 35, z.B. aus SiO2, angeordnet, um einen weiten Bereich der Oberseite und Unterseite des photonischen Kristalls 30 abzudecken, d.h. die Stirnseiten der Poren des Si-Wafers zu verschließen. Diese Bereiche, welche mit der SiO2-Schicht 35 abgedeckt sind, stellen einen passiven Teil, d.h. einen reinen Wellenleiterbereich, des photonischen Kristalls dar.The photonic crystal 30 is present from a macroporous material, eg. As a Si wafer formed. At the top and bottom of the Si wafer 30 each is a substrate layer 35 of SiO 2 , for example, arranged around a wide area of the top and bottom of the photonic crystal 30 Cover, ie to close the end faces of the pores of the Si wafer. These areas, which with the SiO 2 layer 35 are a passive part, ie, a pure waveguide region, of the photonic crystal.

Die mit dem aufheizbaren Material zumindest teilerfüllten/beschichteten Poren 33 bilden den Strahler, als integraler Bestandteil des photonischen Kristalls 30. Im Bereich der Stirnseiten der mit aufheizbarem Material erfüllten Poren 33 können elektrische Kontakte 24 (wie in 3 gezeigt) angeordnet sein. Alternativ hierzu können die Poren 33 auch mit einem Substrat, z.B. SiO2 stirnseitig abgeschlossen sein, wenn eine Aufheizung des in den Poren 33 angeordneten aufheizbaren Material induktiv erfolgt. Für die Wirkungsweise des Strahlers ist die Fähigkeit zur lokalen Aufheizung des photonischen Kristalls entscheidend.The at least partially filled / coated pores with the heatable material 33 make that Spotlight, as an integral part of the photonic crystal 30 , In the area of the front sides of the filled with heatable material pores 33 can electrical contacts 24 (as in 3 shown). Alternatively, the pores 33 also be finished with a substrate, such as SiO 2 frontally, if a heating of the in the pores 33 arranged heatable material is inductively. For the mode of action of the radiator, the ability to locally heat the photonic crystal is crucial.

Die vom Strahler emittierte Strahlung wird im passiven Teil des photonischen Kristalls weitergeleitet. Der passive Teil des photonischen Kristalls bildet dementsprechend eine photonische Wellenleiterstruktur.The emitted by the radiator radiation is in the passive part of the photonic Crystal forwarded. The passive part of the photonic crystal accordingly forms a photonic waveguide structure.

In 3 ist auf der linken Seite ein erstes Detektorelement 40 angeordnet, mit welchem vom Strahler emittierte und in der Wellenleiterstruktur weitergeleitete Strahlung detektierbar ist. Die vom Strahler emittierte Strahlung wird in der Wellenleiterstruktur weitergeleitet und trifft ohne Wechselwirkung mit dem zu detektierenden Fluid auf das erste Detektorelement 40. Dementsprechend bildet das erste Detektorelement 40 einen Referenzkanal zu dem nachstehend noch eingehend erläuterten Meßkanal.In 3 is on the left side a first detector element 40 arranged with which emitted by the radiator and in the waveguide structure forwarded radiation is detectable. The radiation emitted by the radiator is transmitted in the waveguide structure and impinges on the first detector element without interaction with the fluid to be detected 40 , Accordingly, the first detector element forms 40 a reference channel to the below explained in detail measuring channel.

Der Meßkanal weist einen Wechselwirkungsabschnitt 50 auf, in dem das Fluid mit der vom Strahler emittierten Strahlung in Wechselwirkung tritt. In 3 ist der Wechselwirkungsabschnitt 50 als Teil der photonischen Struktur gebildet, wobei der photonische Kristall im Bereich des Wechselwirkungsabschnittes offenporig ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist im Bereich des Wechselwirkungsabschnittes die Oberfläche des Si-Wafers „offen", d.h. es ist keine Substratschicht, wie z.B. die vorstehend beschriebene SiO2-Schicht, an der Ober- bzw. Unterseite vorgesehen. Aufgrund der offenporigen Struktur im Wechselwirkungsabschnitt kann das Fluid, wie über die Pfeile A angedeutet, die photonische Struktur durchsetzen.The measuring channel has an interaction section 50 in which the fluid interacts with the radiation emitted by the radiator. In 3 is the interaction section 50 formed as part of the photonic structure, wherein the photonic crystal is open-pored in the region of the interaction section. In other words, in the area of the interaction section, the surface of the Si wafer is "open", ie there is no substrate layer, such as the above-described SiO 2 layer, provided on the top or bottom, respectively the fluid, as indicated by the arrows A, enforce the photonic structure.

Der Meßkanal umfaßt den Wechselwirkungsabschnitt 50, welcher vom Fluid durchsetzt wird und ein (weiteres) Detektorelement 60. Bei dem Fluid handelt es sich hierbei um ein kompressibles Medium, d.h. ein Gas. Dementsprechend stellt der Wechselwirkungsabschnitt 50 den gasdurchlässigen Wellenleiterteil dar. Nachdem die Strahlung den Wechselwirkungsabschnitt 50 durchtreten hat, wird die Strahlung über einen weiteren passiven Wellenleiter dem (weiteren) Detektorelement 60 zugeleitet. Über das zweite Detektorelement 60 wird ein modifiziertes Spektrum meßbar, in welchem die Absorptionsbanden der Komponenten des Gases abgebildet sind.The measuring channel comprises the interaction section 50 which is penetrated by the fluid and a (further) detector element 60 , The fluid is a compressible medium, ie a gas. Accordingly, the interaction section 50 The gas-permeable waveguide part. After the radiation, the interaction section 50 has passed through the radiation via another passive waveguide to the (further) detector element 60 fed. About the second detector element 60 a modified spectrum is measured in which the absorption bands of the components of the gas are mapped.

Bei gasförmigen Fluiden ist die vorstehend beschriebenen offenporige Struktur vorteilhaft. Für einen Flüssigkeitsnachweis, bei dem der Medienaustausch aufgrund der geringeren Viskosität des Fluids gegenüber Gasen verringert ist, kann der photonische Wellenleiter auch so ausgebildet sein, daß die Wechselwirkung mit dem Fluid über das evaneszente Feld an der Oberfläche des Wellenleiters geschieht.at gaseous Fluids, the open-pore structure described above is advantageous. For one Liquid proof in which the media exchange due to the lower viscosity of the fluid to gases is reduced, the photonic waveguide can also be formed be that interaction with the fluid over the evanescent field on the surface of the waveguide happens.

Die Strahlungsdetektoren 50, 60 können in den photonischen Kristall integriert ausgebildet sein.The radiation detectors 50 . 60 can be formed integrated into the photonic crystal.

Der photonische Kristall ist derart ausgebildet, daß das breitbandige Emissionsspektrum des Strahlers nur für einen definierten engen Wellenlängenbereich weitergeleitet wird und nach Durchstrahlung des Wechselwirkungsabschnitts im photonischen Kristall, auf den Detektor trifft. Licht anderer Emissionswellenlängen werden vom photonischen Kristall nicht oder nur mit sehr hoher Dämpfung weitergeleitet.Of the Photonic crystal is designed such that the broadband emission spectrum the spotlight only for a defined narrow wavelength range is forwarded and after irradiation of the interaction section in the photonic crystal, hits the detector. Become light of other emission wavelengths not passed on by the photonic crystal or only with very high attenuation.

Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Meßkanal um einen Referenzkanal ergänzt, welcher nicht mit Fluid durchströmt wird. Der Referenzkanal weist ein Detektorelement auf, mit Hilfe dessen die Strahlungsleistung des Strahlers gemessen wird. Für eine Detektion des Fluides, bzw. der Komponenten im Fluid wird das Verhältnis zwischen beiden Detektorsignalen, d.h. dem Signal des Meßkanals und dem Signal des Referenzkanals, ausgewertet.According to the in 3 shown embodiment, the measuring channel is supplemented by a reference channel, which is not flowed through with fluid. The reference channel has a detector element, by means of which the radiation power of the radiator is measured. For a detection of the fluid, or the components in the fluid, the ratio between the two detector signals, ie the signal of the measuring channel and the signal of the reference channel, evaluated.

Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung ist eine Meßanordnung, bei der die Heizleistung eines integrierten Strahlers in einem photonischen Kristall bestimmt wird. Eine derartige Meßanordnung ist in 4 gezeigt.A particular embodiment of the present device is a measuring arrangement in which the heating power of an integrated radiator is determined in a photonic crystal. Such a measuring arrangement is in 4 shown.

Bei Detektion eines Gases wird im Wellenleiter die Strahlung durch das Gas absorbiert. Dadurch wird eine höhere Heizleistung für die Einhaltung einer festen Strahlentemperatur notwendig. Zum Gasnachweis wird entweder die Strahlertemperatur bei fester Heizleistung gemessen oder es wird auf konstante Strahlentemperatur geregelt und die nötige Heizleistung bestimmt.at Detection of a gas is in the waveguide the radiation through the Gas absorbed. This results in a higher heating capacity for compliance a fixed jet temperature necessary. For gas detection is either the radiator temperature measured at a fixed heat output or it is controlled to constant radiant temperature and the necessary heating power certainly.

Bei dieser Methode auftretende Störeinflüsse, wie die Umgebungstemperatur oder Schwankungen in der Gasdurchströmung, können durch die Verwendung einer Referenzmessung, beispielsweise über einen anderen Spektralkanal (nachfolgend näher beschrieben) ausgeschlossen werden.at this method occurring disturbing influences, such as the ambient temperature or fluctuations in the gas flow, through the use of a reference measurement, for example via a other spectral channel (described in more detail below) excluded become.

Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des photonischen Kristalls 70 mit den Poren 71 ist ein Teil der Poren 73 mit einem elektrisch leitfähigen Material erfüllt. Über die Kontaktflächen 74, welche aus dem gleichen Material gebildet sind, welches die Poren 73 erfüllt, ist dieser Bereich des photonischen Kristalls Teil eines elektrischen Schaltkreises. In diesem elektrischen Schaltkreis ist eine Einrichtung zur elektrischen Heizungsregelung für konstante Temperatur 80 angeordnet, wobei eine Leistung der Einrichtung 80 über den Leistungsmesser 81 meßbar ist. Der Wechselwirkungsbereich ist wiederum über die Pfeile A angedeutet.According to the in 4 shown embodiment of the photonic crystal 70 with the pores 71 is a part of the pores 73 met with an electrically conductive material. About the contact surfaces 74 which are made of the same material, which the pores 73 is satisfied, this portion of the photonic crystal is part of an electrical circuit. In this electrical circuit is a device for electrical heating control for constant temperature 80 arranged, with a performance of the device 80 over the power meter 81 is measurable. The interaction region is again indicated by the arrows A.

Die passiven Wellenleiterbereiche des photonischen Kristalls werden durch die insbesondere aus SiO2 gebildeten Substratschichten 75 gegen die Umgebung abgeschlossen.The passive waveguide regions of the photonic crystal are formed by the substrate layers formed in particular from SiO 2 75 completed against the environment.

An den Stirnseiten des photonischen Kristalls 70 sind Verspiegelungen 80 angeordnet, über welche die Strahlung reflektierbar bzw. ableitbar ist.At the end faces of the photonic crystal 70 are reflective coatings 80 arranged over which the radiation is reflected or dissipated.

Eine weitere besondere Ausführungsform der vorliegenden Meßanordnung ist die Verwendung zweier unterschiedlicher Wellenleiterstrukturen und Strahler, die aber, falls hinreichend thermisch und optisch entkoppelt, auf einem Wafer realisiert werden können. Durch unterschiedliche Gitterperiodizitäten der beiden Wellenleiter erreicht man unterschiedliche Spektralkanäle, die unterschiedlich vom Zielfluid absorbiert werden. In einem (Referenz-)zweig wird die Strahlung nicht durch das Gas absorbiert. Im anderen Zweig, dem eigentlichen Meßkanal, wird die Strahlung durch das Gas absorbiert. Es wird das Verhältnis der in beiden Zweigen detektierten Leitungen ausgewertet.A another particular embodiment of the present measuring arrangement is the use of two different waveguide structures and radiators, but if sufficiently thermally and optically decoupled, can be realized on a wafer. By different Grating periodicities of Both waveguides reach different spectral channels, the be absorbed differently from the target fluid. In a (reference) branch the radiation is not absorbed by the gas. In the other branch, the actual measuring channel, the radiation is absorbed by the gas. It will be the ratio of evaluated in both branches detected lines.

Gemäß einem weiteren besonderen Ausführungsbeispiel wird ein gepulster Strahler eingesetzt. Dabei kühlt der Strahler nach einer pulsförmigen Erwärmung desselben durch Wärmeleitung in photonischen Kristall ab. Ein Teil dieser Wärmeabfuhr kommt auch durch das Meßgas zustande, das durch den offenen Teil des Kristalls strömt. Absorbiert das Gas die Strahlung effizient, ist dieser Abkühleffekt größer. Damit ist die Abkühlkurve des Strahlers (d.h. des Heizers) bzw. der zeitliche Verlauf der Leistung an einen Strahlungsdetektor ein Maß für die Anwesenheit des Meßgases.According to one another particular embodiment a pulsed radiator is used. The radiator cools after a pulsed warming the same by heat conduction in photonic crystal. Part of this heat dissipation also comes through the measuring gas which flows through the open part of the crystal. absorbs the gas efficient the radiation, this cooling effect is greater. This is the cooling curve the radiator (i.e., the heater) and the timing of the Power to a radiation detector is a measure of the presence of the measurement gas.

Bei diesem Verfahren wird der Referenzzweig zur Kompensation möglicher Störgrößen wie der Umgebungstemperatur eingesetzt.at In this method, the reference branch becomes possible for compensation Disturbances like the Ambient temperature used.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsdetektor als eine photoakustische Zelle ausgebildet. Dabei wird durch das erwärmte Gas in der Meßzelle eine Druckänderung bewirkt, wobei die Druckänderung über ein Mikrofon nachgewiesen wird. Der gasdurchströmte Teil des photonischen Wellenleiters ist dabei gleichzeitig Teil eines akustischen Resonanzkörpers, der (aufgrund einer modulierten Strahlertemperatur auftretende periodische) Gasdruckschwankungen resonant verstärkt. Das Mikrofon befindet sich dabei im/am Resonanzkörper.According to one Another embodiment is the radiation detector is designed as a photoacoustic cell. This is due to the heated gas in the measuring cell a pressure change causes the pressure change over a Microphone is detected. The gas-flow part of the photonic waveguide is at the same time part of an acoustic resonator, the (Periodic due to a modulated radiator temperature) Gas pressure fluctuations resonantly amplified. The microphone is located in doing so in / on the sound box.

Wie vorstehend erläutert, kann als photonischer Kristall auch eine photonische Hohlfaser Verwendung finden. Bei einer solchen photonischen Hohlfaser ist es vorteilhaft, wenn mehrere Wechselwirkungsabschnitte entlang der Hohlfaser hintereinander angeordnet sind. Die Strahlung des integralen Strahlers durchläuft entlang der Hohlfaser mehrerer Meßabschnitte, bevor die Leistung am Detektorelement nachgewiesen wird.As explained above, can use as a photonic crystal also a photonic hollow fiber Find. In such a photonic hollow fiber, it is advantageous if several interaction sections along the hollow fiber in a row are arranged. The radiation of the integral radiator passes along the hollow fiber of several measuring sections, before the power is detected at the detector element.

Den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Verwendung eines integralen selektiven inkohärenten Emitters mit photonischer Strukturierung gemeinsam, wodurch eine verbesserte Bestimmung der Zusammensetzung von Fluiden erreichbar ist. Dabei wird als wesentlicher physikalischer Effekt die erhöhte Lichtintensität für bestimmte Ausbreitungsrichtungen und Wellenlängen geheizter photonischer Kristalle eingesetzt. Im Gegensatz zu Lasern, die eine monochromatische Emission aufweisen (Defektlaser), wird hier jedoch eine vergleichsweise breitbandige Emission, wie bei spektral gefilterter thermischer Strahlung realisiert.The Embodiments described above is the use of an integral selective incoherent emitter with photonic structuring in common, resulting in an improved Determination of the composition of fluids is achievable. there As a significant physical effect is the increased light intensity for certain propagation directions and wavelengths heated photonic crystals used. Unlike lasers, which have a monochromatic emission (defect laser) is Here, however, a comparatively broadband emission, as in realized spectrally filtered thermal radiation.

Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können kompakte, effiziente und kostengünstige Flüssigkeits- und Gassensoren realisiert werden. Die elektrische Leistungsaufnahme ist dabei geringer als bei herkömmlichen Sensoren. Dies ist insbesondere für eine verteilte Sensorik oder für autarke (beispielsweise solarbetriebene) Sensorsysteme von entscheidendem Vorteil. Kompakte IR-Sensoren lassen sich damit sogar in moderne Logistik- und Sicherheitskonzepte einbinden, wie beispielsweise die Überwachung von Lebensmitteltransporten, Brandschutz, usw.With The embodiments described above can be compact, efficient and cost effective liquid and gas sensors are realized. The electrical power consumption is less than conventional Sensors. This is especially for a distributed sensor or for self-sufficient (For example, solar-powered) sensor systems of crucial Advantage. Compact IR sensors can even be used in modern ones Include logistics and security concepts, such as The supervision of food transports, fire protection, etc.

Insbesondere besteht durch die Verwendung einer im Wellenleiter integral ausgebildeten Lichtquelle der Vorteil, daß die Temperatur auf der Sensoraußenseite geringer ist als bei bisherigen Lösungen. Dementsprechend können derartige aktive IR-Sensoren sogar im ex-geschützten Bereich eingesetzt werden.Especially consists of using an integrally formed in the waveguide Light source of the advantage that the Temperature on the outside of the sensor is lower than previous solutions. Accordingly, such active IR sensors even in the ex-protected Be used area.

Vorliegend wird folglich ein IR-Strahler geschaffen, der in einem ein- bis dreidimensionalen photonischen Kristall integral ausgebildet ist. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß die Emission inkohärent und breitbandig ist. Die Emission kann jedoch auch spektral selektiv sein, d.h. nicht so breit wie eine Planck-Kurve. Die Strahlung wird durch induktive oder resistive Heizung eines Bereiches im photonischen Kristall erzeugt. Zudem kann der Strahler in einem Wellenleiter integriert sein. Dabei kann der Nachweisabschnitt für das Fluid im Wellenleiter integriert sein. Der vorliegende neuartige Strahler auf Basis photonischer Kristalle wird dabei in der Meßanordnung so verwendet, daß das Infrarotlicht von der Erzeugung bis zur Detektion in einer geeigneten, vorzugsweise photonisch strukturierten Wellenleiterstruktur geführt ist. Insbesondere wird die Lichterzeugung von breitbandigem IR-Licht bereits in der Wellenleiterstruktur vorgenommen, wodurch die Strahlung effektiv (da im photonischen Kristall belassen) und für den Nachweis der Zusammenführung von Fluiden verwendet werden kann.In the present case, therefore, an IR radiator is provided, which is integrally formed in a one- to three-dimensional photonic crystal. This is characterized by the fact that the emission is incoherent and broadband. However, the emission can also be spectrally selective, ie not as wide as a Planck curve. The radiation is generated by inductive or resistive heating of a region in the photonic crystal. In addition, the radiator can be integrated in a waveguide. In this case, the detection section for the fluid can be integrated in the waveguide. The present novel radiator on Ba This photonic crystals is used in the measuring arrangement so that the infrared light is guided from the generation to the detection in a suitable, preferably photonically structured waveguide structure. In particular, the light generation of broadband IR light is already made in the waveguide structure, whereby the radiation can be used effectively (since left in the photonic crystal) and for the detection of the merging of fluids.

Claims (25)

Strahler, insbesondere thermischer Strahler im infraroten Spektralbereich, mit einem photonischen Kristall (10, 20, 30), wobei die Strahlung durch lokale Temperaturänderung ausschließlich in einem Teilbereich (13, 23, 73) des photonischen Kristalls (10, 20, 30) erzeugbar ist.Radiator, in particular thermal radiator in the infrared spectral range, with a photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ), whereby the radiation by local temperature change exclusively in a partial area ( 13 . 23 . 73 ) of the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is producible. Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Temperaturveränderung durch eine induktive und/oder resistive Heizung des Teilbereiches (13, 23, 73) des photonischen Kristalls (10, 20, 30) erzeugbar ist.Radiator according to claim 1, characterized in that the local temperature change by an inductive and / or resistive heating of the sub-area ( 13 . 23 . 73 ) of the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is producible. Strahler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein in die Poren des Teilbereiches (13) des photonischen Kristalls (10) eingebrachtes, magnetisches Material, das induktiv, insbesondere über zumindest eine auf einer Oberfläche des photonischen Kristalls (10) angeordnete Induktionsspule (14), aufheizbar ist.Radiator according to claim 2, characterized by a in the pores of the subregion ( 13 ) of the photonic crystal ( 10 ), magnetic material, which is inductive, in particular via at least one on a surface of the photonic crystal ( 10 ) arranged induction coil ( 14 ), is heatable. Strahler nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein in die Poren des Teilbereiches (23) des photonischen Kristalls (20) eingebrachtes, elektrisch leitfähiges, insbesondere halbleitendes oder metallisches Material, das durch direkten Stromfluß über Kontakte (24) an der Oberfläche des photonischen Kristalls (20) und/oder induktiv über ein magnetisches Wechselfeld aufheizbar ist.Radiator according to claim 2 or 3, characterized by a in the pores of the subregion ( 23 ) of the photonic crystal ( 20 ) introduced, electrically conductive, in particular semiconducting or metallic material which by direct current flow via contacts ( 24 ) on the surface of the photonic crystal ( 20 ) and / or inductively heatable via a magnetic alternating field. Strahler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der photonische Kristall (10, 20, 30) eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional oder als photonische Hohlfaser ausgebildet ist.Radiator according to at least one of Claims 1 to 4, characterized in that the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional or formed as a photonic hollow fiber. Strahler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der photonische Kristall (10, 20, 30) aus einem Material gebildet ist, welches eine gute Transmissionseigenschaft im mittleren Infrarotbereich aufweist.Radiator according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is formed of a material having a good transmission property in the mid-infrared region. Strahler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der photonische Kristall (10, 20, 30) aus einem Material gebildet ist, welches eine Temperaturbeständigkeit zumindest bis 1000 K aufweist.Radiator according to at least one of Claims 1 to 6, characterized in that the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is formed of a material which has a temperature resistance at least up to 1000 K. Strahler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der photonische Kristall (10, 20, 30) aus makroporösem Silizium, SiO2, oder Al2O3, Ge, Chalkogenidglas, BaF2, CaF2, TiO2, ZnO2, SiC oder Kohlenstoff gebildet ist.Radiator according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) is formed from macroporous silicon, SiO 2 , or Al 2 O 3 , Ge, chalcogenide glass, BaF 2 , CaF 2 , TiO 2 , ZnO 2 , SiC or carbon. Strahler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Poren (13, 23, 73) des photonischen Kristalls (10, 20, 30) einzubringende magnetische und/oder elektrisch leitende Material, beispielsweise Fe, Ni, Pt, Ta, SiC, Fe2O3, Fe3O4 oder W, mittels Infiltration einer flüssigen Lösung oder Schmelze oder durch schichtförmiges Abscheiden wie PVD oder CVD-Verfahren in die zuvor definierte photonische Struktur einbringbar sind, oder daß diese durch Beimengungen bei der Kristallzucht bei der Herstellung der photonischen Kristalle einbringbar sind.Radiator according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that in the pores ( 13 . 23 . 73 ) of the photonic crystal ( 10 . 20 . 30 ) to be introduced magnetic and / or electrically conductive material, for example Fe, Ni, Pt, Ta, SiC, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 or W, by infiltration of a liquid solution or melt or by layered deposition such as PVD or CVD method can be introduced into the previously defined photonic structure, or that they can be introduced by admixtures in the crystal growth in the production of the photonic crystals. Vorrichtung zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden mit einem Strahler gemäß zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 9, einem Wechselwirkungsabschnitt (50) zwischen Fluiden und vom Strahler erzeugter Strahlung und zumindest einem Strahlungsdetektor (40, 60) zur Erfassung einer Wechselwirkung zwischen Fluid und Strahlung, wobei der photonische Kristall (30) des Strahlers als Teil eines Wellenleiterabschnittes ausgebildet ist.Device for analyzing the qualitative and / or quantitative composition of fluids with a radiator according to at least one of the claims 1 to 9, an interaction section ( 50 ) between fluids and radiation generated by the radiator and at least one radiation detector ( 40 . 60 ) for detecting an interaction between fluid and radiation, wherein the photonic crystal ( 30 ) of the radiator is formed as part of a waveguide section. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungsabschnitt (50) im vom photonischen Kristall (30) des Strahlers gebildeten Wellenleiterabschnitt integriert ist, wobei die Strahlung im photonischen Kristall (30) erzeugbar und in diesem zum Wechselwirkungsabschnitt (50) weiterleitbar ist, und wobei die Strahlung den Wechselwirkungsabschnitt (50) durchdringt.Device according to Claim 10, characterized in that the interaction section ( 50 ) in the photonic crystal ( 30 ) of the radiator waveguide portion is formed, wherein the radiation in the photonic crystal ( 30 ) and in this to the interaction section ( 50 ), and wherein the radiation is the interaction section ( 50 ) penetrates. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterabschnitt zumindest im Bereich des Wechselwirkungsabschnittes (50) eine offenporige Struktur aufweist, wobei das zu untersuchende Fluid den Wechselwirkungsabschnitt (50) durchströmt.Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the waveguide section at least in the region of the interaction section ( 50 ) has an open-pore structure, wherein the fluid to be examined the interaction section ( 50 ) flows through. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterabschnitt zumindest im Bereich des Wechselwirkungsabschnittes (50) derart ausgebildet ist, daß eine Wechselwirkung von Strahlung mit Fluid über ein evaneszentes Feld erfolgt.Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the waveguide section at least in the region of the interaction section ( 50 ) is designed such that an interaction of radiation with fluid takes place via an evanescent field. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Strahlungsdetektor (40, 60) im vom photonischen Kristall (30) gebildeten Wellenleiterabschnitt integriert ist.Device according to at least one of the claims 10 to 13, characterized in that the at least one radiation detector ( 40 . 60 ) in the photonic crystal ( 30 ) Waveguide section is integrated. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der photonische Kristall (30) derart ausgebildet ist, die vom Strahler emittierte Strahlung nur für einen definierten engen Wellenlängenbereich weiterzuleiten.Device according to at least one of the Pa tentansprüche 10 to 14, characterized in that the photonic crystal ( 30 ) is designed such that forward the radiation emitted by the radiator only for a defined narrow wavelength range. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch einen von Fluid nicht durchströmten Referenzkanal zu dem mittels des Wechselwirkungsabschnitts (50) gebildeten Meßkanal, wobei eine Strahlungsleistung des Referenzkanals mit einem zweiten Strahlungsdetektor (60) meßbar und ein Verhältnis zwischen den Detektorsignalen von Meßkanal und Referenzkanal auswertbar ist.Device according to at least one of the claims 10 to 15, characterized by a reference channel, not flowed through by fluid, to which by means of the interaction section ( 50 ), wherein a radiation power of the reference channel with a second radiation detector ( 60 ) and a ratio between the detector signals of the measuring channel and the reference channel can be evaluated. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (80, 81) zur Regelung und/oder Messung einer Heizleistung des Strahlers, wobei eine Strahlertemperatur bei fester Heizleistung meßbar ist, oder wobei der Strahler auf eine konstante Strahlertemperatur geregelt und die hierzu notwendige Heizleistung bestimmbar ist.Device according to at least one of the claims 10 to 16, characterized by a device ( 80 . 81 ) for controlling and / or measuring a heat output of the radiator, wherein a radiator temperature at fixed heating power is measurable, or wherein the radiator is regulated to a constant radiator temperature and the heating power necessary for this purpose can be determined. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch zwei Spektralkanäle, welche unterschiedliche, thermisch und optisch entkoppelte Wellenleiterstrukturen mit integrierten Strahlern und voneinander verschiedener Gitterperiodizität aufweisen.Device according to at least one of the claims 10 to 18, characterized by two spectral channels, which different, thermally and optically decoupled waveguide structures with integrated Emitters and have different grating periodicity. Vorrichtung nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spektralkanäle auf einem Wafer angeordnet sind.Device according to claim 18, characterized that the two spectral channels are arranged on a wafer. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 19, gekennzeichnet durch ein pulsförmiges Erwärmen des Strahlers in Verbindung mit einem anschließenden Abkühlen des photonischen Kristalls.Device according to at least one of the claims 10 to 19, characterized by a pulsed heating of the radiator in conjunction with a subsequent cooling down of the photonic crystal. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungsabschnitt zur Bildung einer photoakustischen Meßzelle Bestandteil eines akustischen Resonanzkörpers ist, wobei eine Strahlertemperatur modulierbar und eine hierdurch auftretende Gasdruckschwankung resonant verstärkbar ist.Device according to at least one of the claims 10 to 21, characterized in that the Interaction section for forming a photoacoustic measuring cell component an acoustic sound box is, wherein a radiator temperature can be modulated and thereby occurring gas pressure fluctuation is resonantly amplified. Vorrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Wellenleiters mehrere Wechselwirkungsabschnitte angeordnet sind.Device according to at least one of the claims 10 to 22, characterized in that along the waveguide multiple interaction sections are arranged. Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden, wobei ein als photonischer Kristall ausgebildeter Wellenleiter lokal aufgeheizt, vom aufgeheizten Bereich emittierte Strahlung im Wellenleiter weitergeleitet, die Strahlung in einem Abschnitt des Wellenleiters mit zumindest einem Fluid wechselwirkt und die Strahlung anschließend detektiert wird.Method for analyzing the qualitative and / or quantitative composition of fluids, with one as photonic Crystal trained waveguide heated locally, from the heated Radiated radiation emitted in the waveguide, the Radiation in a section of the waveguide with at least one Fluid interacts and the radiation is subsequently detected. Verfahren nach Patentanspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das detektierte Signal, der mit dem Fluid wechselwirkenden Strahlung mit einem Referenzsignal eines zweiten Wellenleiters verglichen wird.Method according to claim 23, characterized that this detected signal, the radiation interacting with the fluid compared with a reference signal of a second waveguide becomes. Verfahren nach Patentanspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlertemperatur bei fester Heizleistung gemessen wird oder daß der Strahler auf konstante Strahlertemperatur geregelt und die benötigte Heizleistung bestimmt wird.Method according to claim 23 or 24, characterized characterized in that a Radiator temperature is measured at a fixed heat output or that the radiator regulated to constant radiator temperature and the required heating power is determined.
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