Preiswerter Gassensor für's Millimeterwellen-Regime

  • 12. June 2014

Kostengünstiges Gasspektroskopie-System mit integrierten SiGe-Chips im Bereich um 245 GHz entwickelt.

Wissenschaftler des IHP-Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik in Frankfurt, Oder, und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelten ein kompaktes und kostengünstiges Sensorsystem für die Gasspektroskopie im Bereich um 245 GHz. Dieses Sensorsystem verwendet erstmalig einen integrierten Silizium-Germanium-Sender sowie einen integrierten SiGe-Empfänger.

Laboraufbau des Systems mit Sender- und Empfängermodul und der Gasabsorptionszelle.

Abb.: Laboraufbau des Systems mit Sender- und Empfängermodul und der Gasabsorptionszelle. (Bild: IHP)

Ein derartiges Sensorsystem hat ein großes Anwendungspotential, etwa im Sicherheitsbereich für den Nachweis toxischer Gase, aber auch für die Kontrolle chemischer Prozesse, wie dem Plasmaätzen in der Halbleitertechnologie. Eine weitere potentielle Anwendung liegt im Einsatz im Gesundheitsbereich. Hier lassen sich durch die Durchführung einer Atemluftanalyse von Patienten, Lungenkrankheiten frühzeitig diagnostizieren.

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

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

Am IHP ist es gelungen, Prototypen eines Transmitters und Empfänger mit integrierter Antenne in SiGe-Technologie zu entwickeln, die im Frequenzbereich von 238 GHz bis 252 GHz arbeiten. Da in Si-Technologie ausgeführt, sind diese Komponenten mit in der Halbleiterindustrie etablierten Herstellungsverfahren kompatibel und lassen sich preiswert hergestellen. Inzwischen wurde am IHP in Zusammenarbeit mit dem DLR Berlin ein Gasspektroskopie-System verwirklicht, das einen 245 GHz SiGe-Sender- und einen Empfänger-Chip verwendet. Die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems wurde anhand des gemessenen Absorptionsspektrums für Methanol nachgewiesen.

Der Demonstrator verwendet eine optische Bank, auf der das Sender- und Empfängermodul montiert wurden. Eine Linse erhöht den effektiven Antennengewinn für den Sender bzw. Empfänger. Für die gasspektroskopischen Messungen wurde eine sechzig Zentimeter lange Gasabsorptionszelle zwischen das Sender- und das Empfängermodul gestellt. Kommerzielle Labormesstechnik zeichnete das Zwischenfrequenzsignal des Empfängers in Abhängigkeit von der Frequenz des Senders auf. Ein integrierter Lokaloszillator wurde sowohl für den Sender als auch für den Empfänger verwendet, ein externer Phasenregelschleife-Bausteins (PLL) stabilisiert seine Frequenz. Die beiden PLL-Bausteine verwenden hierbei zwei Referenzfrequenzen mit konstantem Frequenzversatz, um für den Empfänger eine konstante Zwischenfrequenz während eines Frequenzdurchlaufes zu erreichen. Eine geringe Amplitudenänderung des Empfängersignals infolge von Gasabsorption lässt sich so detektieren und in Abhängigkeit von der Senderfrequenz für die Gasspektroskopie abgespeicheren.

INM / CT

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