Gassensorer i mid-IR-området baserade på fotoniska krystall
- Diarienummer
- ID21-0057
- Projektledare
- Anand, Srinivasan
- Start- och slutdatum
- 220101-260630
- Beviljat belopp
- 2 500 000 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Det övergripande målet för doktorandprojektet är att utveckla teknik med fotoniska kristaller på en Silcon-On-Insulator plattform för att både öka funktionaliteten samt integrationen av framtida gassensorer i mid-IR-området. Realtidsmätning av emission av växthus och andra skadliga gaser (t.ex. CO2, NOx, CH4 och NH3) är av stor vikt för miljön och även för vår hälsa och säkerhet. Optiska sensorer har fördelen att samtidigt ge hög känslighet och specificitet eftersom dessa gaser har unika absorptionslinjer i mid-IR-området. Gassensorerna ska realiseras med hjälp av elektromagnetisk simulering och design av fotoniska-kristall-byggblock med specifika funktioner, samt genom utveckling av tillverkningsteknik för dessa. Följande byggblock kommer att inkluderas i projektet: (i) Fotoniska vågledare med låg ljushastighet för ökad gaskänslighet och samtidigt lägre signalförluster, (ii) modkonverterare för effektiv koppling av ljus och (iii) fotoniska kristallstrukturer för fokusering och maximering av utkopplat ljus från infraröda lysdioder. Genom kombination av de olika byggblocken är målet att tillverka en konceptdemonstrator i form av en fullt integrerad CO2-sensor. Projektet kommer att fokusera på CO2-mätning i våglängdsområdet 4,3 mikrometer, men den utvecklade kunskapen kommer även att kunna appliceras på sensorer för andra skadliga gaser. Projektet kommer att genomföras som ett samarbete mellan KTH och Senseair där de olika expertkompetenserna och resurserna delas.
Populärvetenskaplig beskrivning
Många biprodukter I form av gaser från industrier och mänsklig aktivitet är skadliga för miljön eller vår hälsa. Bland dessa gaser finns växthusgaser som CO2, N2O och CH4. Vikten av CO2-monitorering ökar dessutom i samhället. Idag tillbringar vi upp till 90% av vår tid inomhus där hälsan påverkas av dålig luftkvalitet kopplat till de förhöjda CO2-nivåerna inomhus. Behovsstyrd ventilation, baserat på CO2-mätning, eliminerar risken för exponering för dålig luft samtidigt som energieffektiviteten optimeras i ventilationssystemet. Av den anledningen ser vi att realtidsmätning av CO2 blir mer och mer viktigt inom ett flertal områden. De flesta växthusgaserna har sina vibrations- och rotationsspektrum i Mid-IR-området, mellan 2 och 20 mikrometer, och absorberar IR-ljus effektivt i det här våglängdsområdet. En metod för att mäta gaskoncentrationer är att sända ut ljus med en specifik våglängd och mäta upp variationen av ljus som når en detektor, och utifrån den absorberade ljusenergin beräkna gaskoncentrationen. Denna typ av sensorer, optiska IR-sensorer, erbjuder hög känslighet, snabb respons och god tillförlitlighet. I optiska gassensorer är den optiska längden, där ljuset interagerar med gasen, en avgörande parameter för känsligheten. Ju längre väg, desto känsligare sensor. Framsteg inom kiselfotonik och fotoniska kristaller har möjliggjort långa interaktionsvägar, eller ökad interaktion, på väldigt litet utrymme. Det här forskningsprojektet fokuserar på att utveckla nyckelkomponenter för autonoma inom- och utomhusnätverk för gasmätning med miniatyriserade sensorer och med låg energiförbrukning, genom utnyttjande av tekniken med fotoniska kristaller. Området med fotoniska kristaller har de senaste decennierna uppvisat unika egenskaper som kan möjliggöra chipintegration. Detta skapas genom periodisk variation av brytningsindex längs en vågledarstruktur, där perioden är i samma storleksordning som ljusvåglängden. (Analogt med elektronernas beteende i halvledarkristaller.) Utöver fotoniska kristaller är en annan möjlig metod att kontrollera ljusets propagering genom ”defect engineering”, och därigenom åstadkomma långsammare propagering, guidning och sammanhållning.