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Plasmonically-Enhanced Micromechanical Photoswitch : Ausgabe 18/2017, 02.11.2017

Schlafender Sensor ist immer wach

Können Sie einen winzigen Sensor entwickeln, der auf bestimmte Infrarotwellenlängen anspricht, sogar jahrelang ohne Aufsicht ruhen kann, aber jederzeit auf bestimmte IR-Signale sofort anspricht und keine Batterieleistung benötigt? Doch der Sensor sollte noch viel mehr leisten.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Nature

Im Alleskönner-Sensor sollte auch noch der Detektionsvorgang selbst die Signalabstrahlung auslösen, die Feuerwehrleuten, Soldaten oder anderen Personen signalisiert, dass etwas Interessantes vorgefallen ist. Hinzu kommt, dass diese Art der Sensorik einen potenziell gefährlichen Batteriewechsel ausschliesst.

Das Kind hat einen Namen

Ein Forscherteam von der Northeastern University, unter Leitung von Assistenzprofessor Matteo Rinaldi, berichtete nunmehr in der Onlineversion der Nature Nanotechnology, dass die besagten Sensoreigenschaften im Rahmen des «Near Zero Power RF and Sensor Operation»-Programms (N-ZERO) der «Defense Advanced Research Projects Agency» (DARPA) verwirklicht wurden. Der neue Sensor trägt die Bezeichnung «Plasmonically-Enhanced Micromechanical Photoswitch».

«Von besonderem Interesse an dieser Northeastern IR-Sensortechnologie ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren, dass der neue Sensor keine Stand-by-Leistung verbraucht, solange die zu beobachtenden IR-Wellenlängen nicht vorhanden sind», sagte Troy Olsson, Manager des N-ZERO-Programms im Microsystems Technology Office der DARPA.

Sensor ist Beispiel für gelungene Ingenieursleistung

«Sobald diese IR-Wellenlängen vorhanden sind und sich auf den neuen IR-Sensor auswirken, erwärmt die Energie von der IR-Quelle das Sensorelement und veranlasst dadurch physikalische Bewegungen von wichtigen Sensorkomponenten.» «Diese Bewegungen sorgen dafür, dass sich sonst offene Schaltungselemente schliessen und damit Signale auslösen, die melden, dass die gesuchte IR-Signatur gefunden wurde.»

Der Sensor ist ein exzellentes Beispiel für eine gelungene Ingenieursleistung, einschliesslich der Berücksichtigung von Nanobereichen, deren spezifischen Abmessungen dafür sorgen, dass sie nur gewünschte IR-Wellenlängen absorbieren. «Diese ladungsbasierenden Anregungen, genannt Plasmone, sind unter den Nanobereichen örtlich begrenzt und fangen spezielle Wellenlängen des Lichts in der extrem dünnen Struktur ein. Hinzu kommt dann ein relativ grosser und schneller Temperaturanstieg», sagte Rinaldi. Diese Temperaturspitzen führen dann in der Funktionsfolge letztlich zu einer Deformation und einem Schaltungsschluss von anderen Teilen des Sensors.

Nur eine bestimmte Wellenlänge wird absorbiert

Olsson: «Diese Technologie verfügt über mehrere Sensingelemente, von denen jedes so abgestimmt ist, dass es nur eine bestimmte IR-Wellenlänge absorbiert.» Zusammen kombinieren die Sensingelemente komplexe Logikschaltungen, die IR-Spektren analysieren können. Damit öffnet sich der Weg für diese Sensoren nicht nur in Richtung der IR-Energiemessung in der Umwelt, sondern es lässt sich dann auch spezifizieren, ob diese Energie von einem Feuer, einem Fahrzeug, einer Person oder einer anderen IR-Quelle kommt.»

Man denke zum Beispiel an die Identifizierung von Fahrzeugen anhand ihrer IR-Abstrahlung. Motoren, die Benzin oder Diesel verwenden, emittieren bestimmte Verbindungen in ihren Abgasen. Zu diesen Verbindungen gehören CO2, CO, H2O, verschiedene Stickstoff- und Schwefeloxide (NOx und SOx) sowie Kohlenwasserstoffe wie Methan. Olsson: «Damit können die infraroten Emissionsspektren der Auspuffgase von Lastwagen, Autos oder Flugzeugen als spezifische Signatur für ein Fahrzeug angesehen werden.»

Sensoren sind auch für das IoT wichtig

Ein vorrangiges Ziel des N-ZERO-Programms ist die Entwicklung fundamentaler Technologien, die im Interesse der nationalen Sicherheit den Weg für neue und leistungsfähigere Sensorsysteme ebnen. Das Team der Northwestern University weist im Forschungs- bericht darauf hin, dass die gleiche Technologie in den kommenden Jahren für das Internet of Things wichtig werden könnte, denn das IoT erweitert sich stetig und umfasst Milliarden von Komponenten und Systemen. 

Infoservice

Defense Advanced Research Projects Agency
675 North Randolph Street
Arlington, VA 22203-2114, USA
Tel. +1 703 526 66 30, www.darpa.mil



Das Bild zeigt die wellen­längenspezifischen Bereiche eines neuen Sensors, der Infrarotsignaturen von spezifischen Wärmequellen erfassen kann


Struktur und Arbeitsprinzip eines plasmonisch verbesserten mikromechanischen Fotoschalters