Sensorik und Sensorsysteme

MIRPHAB: Pilotlinie für maßgeschneiderte Spektroskopie-Lösungen

25.9.2017

Jede chemische Substanz absorbiert einen ganz spezifischen Anteil infraroten Lichts. Wie ein Fingerabdruck kann diese Absorption zur Stoffidentifikation genutzt werden. Die EU-geförderte Pilotlinie »MIRPHAB« hilft Unternehmen beim Aufbau von speziell zugeschnittener Sensorik und Messtechnik im mittleren Infrarot (MIR).

© Foto Fraunhofer IAF

Miniaturisierter, breitbandig spektral abstimmbarer Quantenkaskadenlaser mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarot-Bereich und hoher Scanfrequenz bis zu 1 kHz.

© Foto Fraunhofer IAF

Demonstrator der miniaturisierten Laserquelle bestehend aus Quantenkaskadenlaserchip und MEMS-Gitterscanner

Benötigt ein Unternehmen einen Sensor, um beispielsweise einen bestimmten Stoff im Produktionsprozess zu identifizieren, gibt es oft ganz spezifische Anforderungen: Das beginnt bei den nachzuweisenden Stoffen, geht über die Anzahl der benötigten Sensoren bis hin zur Geschwindigkeit des Produktionsprozesses. Meist reicht dafür eine Lösung von der Stange nicht aus und es bedarf mehrerer Anbieter, um eine optimale Lösung zu entwickeln.

Hier setzt die europäische Pilotlinie »MIRPHAB« (Mid InfraRed PHotonics devices fABrication for chemical sensing and spectroscopic applications) an: In dieser Pilotlinie haben sich führende europäische Forschungsinstitute und Firmen zusammengefunden, um maßgeschneiderte Angebote aus einer Hand anzubieten, die durch Förderungen der EU auch besonders für Early Adopter geeignet sind.

Maßgeschneiderte MIR-Laserquelle

Eine zentrale Komponente der MIRPHAB-Sensorlösungen liefern gemeinsam die Fraunhofer-Institute IAF und IPMS in Form einer spektral abstimmbaren Laserquelle, die im mittleren infraroten Wellenlängenbereich emittiert. Das Fraunhofer IAF bringt hierfür die Technologie der Quantenkaskadenlaser ein, die Laserlicht im MIR-Bereich aussenden. Der Wellenlängenbereich des Lichtes ist bei dieser Art von Laser spektral sehr breit und lässt sich bei der Chipherstellung über das Wachstum des Halbleiters maßschneidern. Um eine bestimmte Wellenlänge auszuwählen, wird diese über ein optisches Beugungsgitter in einem externen Resonator ausgewählt und wieder zurück in den Laserchip gekoppelt. Durch die Drehung des Gitters kann die Wellenlänge des Lasers kontinuierlich abgestimmt werden. Ein solches Gitter wird am Fraunhofer IPMS in miniaturisierter Form in MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical-System) hergestellt. Diese ermöglicht es, das Gitter mit einer Frequenz von bis zu 1 kHz schwingen zu lassen und somit die Wellenlänge der Laserquelle bis zu tausend Mal pro Sekunde über einen sehr breiten Spektralbereich durchzustimmen. Um die Herstellung der Laser und Gitter effizienter zu gestalten und für eine Pilotserienproduktion zu optimieren, ist an MIRPHAB auch das Fraunhofer IPT in Aachen beteiligt. Mit seinem Knowhow überführt es die Herstellung des schnell abstimmbaren MIR-Lasers in industriell anwendbare Produktionsabläufe.

Prozessanalyse in Echtzeit

Derzeit arbeiten viele Spektroskopie-Anwendungen im noch sichtbaren oder nahen Infrarot- Bereich und verwenden relativ schwache Lichtquellen. MIRPHAB bietet Lösungen auf Basis von Infrarot-Halbleiterlasern. Diese verfügen über eine deutlich größere Lichtstärke und ermöglichen damit neue Anwendungen. So können mit der MIR-Laserquelle bis zu 1000 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden, wodurch zum Beispiel die automatisierte Überwachung und Steuerung von chemischen Reaktionen und biotechnologischen Prozessen in Echtzeit möglich wird. Solche Verfahren verwendet man beispielsweise in der chemischen Industrie, im Gesundheits-Bereich oder der Forensik.

MIRPHAB kann somit wichtige Beiträge auf dem Weg zur Fabrik der Zukunft und der Industrie 4.0 liefern.

Über das Projekt:

An der EU-geförderten Pilotlinie »MIRPHAB « (Mid InfraRed PHotonics devices fABrication for chemical sensing and spectroscopic applications) arbeiten folgende Projektpartner: CEA LETI (Coordinator) • Nanoplus • VIGO • IMEC • III-V-Lab • Alpes Lasers • Norsk Elektro Optikk • CSTG • Quantared • CSEM • IQE • Cascade Technologies • Bosch • mirSense • Phoenix • EPIC • Tematys • Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF • Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS • sowie das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT