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.
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
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
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:
Vorliegend
sind im Grundmaterial des photonischen Kristalls (beispielsweise
einem Si-Wafer) säulenartige
Bereiche
Bei
der vorliegend dargestellten zweidimensionalen Struktur des photonischen
Kristalls
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
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
Mittels
der Induktionsspule
Das
magnetische Material wird über
die induktive Erwärmung
mittels der Induktionsspule
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
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
Bei
dem in
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach
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
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
Der
photonische Kristall
Die
mit dem aufheizbaren Material zumindest teilerfüllten/beschichteten Poren
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
Der
Meßkanal
weist einen Wechselwirkungsabschnitt
Der
Meßkanal
umfaßt
den Wechselwirkungsabschnitt
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
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
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
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
Die
passiven Wellenleiterbereiche des photonischen Kristalls werden
durch die insbesondere aus SiO2 gebildeten
Substratschichten
An
den Stirnseiten des photonischen Kristalls
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.
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