DE102004005445A1 - Sensor for detecting carbon dioxide comprises source for releasing electromagnetic radiation from plasmon system made from particles arranged on substrate - Google Patents

Sensor for detecting carbon dioxide comprises source for releasing electromagnetic radiation from plasmon system made from particles arranged on substrate Download PDF

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Abstract

A sensor comprises a source (12) for releasing electromagnetic radiation from a plasmon system made from particles (14) arranged on a substrate (16).

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung geht von einem Sensor zur Detektion eines Fluids gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.The The invention relates to a sensor for detecting a fluid according to the Preamble of claim 1 further defined type.

Ein derartiger Sensor ist aus der Praxis bekannt und dient beispielsweise als im Wellenlängenbereich von Infrarotstrahlung arbeitender Gassensor zur Detektion von Kohlendioxid oder dergleichen.One Such sensor is known in practice and serves, for example as in the wavelength range Infrared radiation gas sensor for detection of carbon dioxide or similar.

Der bekannte Sensor umfasst eine Quelle zur Abgabe breitbandiger Infrarotstrahlung. Dieser Quelle ist ein Filter bzw. Monochromator nachgeschaltet, so dass Strahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen aus dem Filter austritt. Mit dieser Strahlung wird dann ein Messraum beaufschlagt, in dem ein zu analysierendes, gasförmiges Medium enthalten ist. Eine der beiden Wellenlängen dient als Referenzwellenlänge, und die andere der Wellenlängen wird von dem zu detektierenden Gas absorbiert und ist also spezifisch hinsichtlich dieses Gases. Hinter dem Messraum ist ein Detektor angeordnet, der einerseits selektiv ist für Strahlung der Referenzwellenlänge und andererseits für Strahlung der für das zu analysierende Gas spezifischen Wellenlänge.Of the known sensor comprises a source for emitting broadband infrared radiation. This source is followed by a filter or monochromator, so that radiation with two different wavelengths emerges from the filter. This radiation is then applied to a measuring space in which a gaseous to be analyzed Medium is included. One of the two wavelengths serves as the reference wavelength, and the other of the wavelengths is absorbed by the gas to be detected and is therefore specific with regard to this gas. Behind the measuring room is a detector arranged on the one hand is selective for radiation of the reference wavelength and on the other hand for Radiation of for the gas to be analyzed specific wavelength.

Dieser Sensor hat jedoch den Nachteil, dass sich die Erzeugung von monochromatischer Strahlung zweier Wellenlängen aufwendig gestaltet.This However, sensor has the disadvantage that the production of monochromatic Radiation of two wavelengths Extensively designed.

Ferner ist es beispielsweise aus H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, Springer-Verlag, Berlin (1990) bekannt, optisch an Plasmonen zu koppeln, wobei im Volumen auftretende Plasmonen aufgrund der für Plasmonenanregungen im Festkörper erforderlichen Energien, die etwa zwischen 3 eV und 20 eV liegen, bei optischen Anwendungen in der Regel ausscheiden. Auch ist es bekannt, dass die Frequenz von Plasmonen abhängig ist von der räumlichen Ausdehnung des den Plasmonen zugeordneten elektronischen Systems.Further For example, it is from H. Ibach, H. Lüth, solid state physics, Springer-Verlag, Berlin (1990) known to couple optically to plasmon, wherein in Bulk plasons due to the requirement for plasmon excitations in the solid state Energies that are between about 3 eV and 20 eV, in optical Applications usually excrete. Also, it is known that the frequency of plasmons depends is from the spatial Extension of the electronic system assigned to the plasmons.

Ein Volumenplasmon ist gekennzeichnet durch eine Frequenz ωP

Figure 00020001
wobei n die Ladungsträgerdichte, e die Einheitsladung, m die Elektronenmasse und ε0 die dielektrische Konstante darstellt.A volume plasmon is characterized by a frequency ω P
Figure 00020001
where n is the carrier density, e is the unit charge, m is the electron mass and ε 0 is the dielectric constant.

Für ein Oberflächenplasmon, das in seiner Ausbreitung durch die Oberfläche des Festkörpers in einer Raumrichtung behindert ist, ist eine Grenzfrequenz ωSP durch die Gleichung

Figure 00030001
definiert. Das Oberflächenplasmon kann aber auch Frequenzen aufweisen, die unterhalb der Grenzfrequenz und gegebenenfalls über der Grenzfrequenz liegen.For a surface plasmon that is impeded in its propagation through the surface of the solid in a spatial direction, a cutoff frequency ω SP is given by the equation
Figure 00030001
Are defined. However, the surface plasmon may also have frequencies which are below the cutoff frequency and possibly above the cutoff frequency.

Aus der Veröffentlichung M. Scharte et. al., Appl. Phys. B 78, 305 (2001) ist es des Weiteren bekannt, dass durch eine weitere Einschränkung in den räumlichen Dimensionen eine weitere Absenkung der Frequenz der in dem Festkörper schwingenden Plasmonen erreicht werden kann.Out the publication M. Scharte et. al., Appl. Phys. B 78, 305 (2001) it is further known that by a further restriction in the spatial Dimensions further decrease the frequency of vibrating in the solid plasmon can be achieved.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Der erfindungsgemäße Sensor zur Detektion eines Fluids mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Sensor die Quelle zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung aus einem Plasmonensystem gebildet ist, das aus strukturiert auf einem Substrat angeordneten Teilchen gebildet ist, hat den Vorteil eines sehr einfachen Messaufbaus, da mittels des Plasmonensystems monochromatische und linear polarisierte Strahlung erzeugt werden kann und der Strahlungsquelle hierzu kein Filter und auch kein Polarisator nachgeschaltet werden muss.Of the inventive sensor for the detection of a fluid having the features according to the preamble of claim 1, wherein the sensor is the source for dispensing electromagnetic radiation formed from a plasmon system is that of structured particles arranged on a substrate formed has the advantage of a very simple measurement setup, because of the plasmon system monochromatic and linearly polarized radiation can be generated and the radiation source for this purpose no filter and no polarizer must be connected downstream.

Das Plasmonensystem wird also als Strahlungsquelle genutzt, wobei nach Anregung der Plasmonen ein Plasmonenzerfall auf optischem Wege erfolgt, was im Allgemeinen als strahlender Zerfall bezeichnet wird. Die Plasmonenenergie wird also auf ein Photon übertragen.The Plasmonensystem is thus used as a radiation source, wherein after Excitation of the plasmons a plasmon decay occurs optically, which is generally referred to as radiant decay. The Plasmon energy is thus transferred to a photon.

Das Plasmonensystem des Sensors nach der Erfindung stellt bei der Bestrahlung mit breitbandigem Licht einen Filter dar, da die Absorbtion durch Plasmonen ausgenutzt wird.The Plasmonic system of the sensor according to the invention stops at the irradiation with broadband light a filter, since the absorption by Plasmonen is exploited.

Der Begriff "Fluid" ist im vorliegenden Fall in seinem weitesten Sinne zu verstehen und umfasst mithin sowohl gasförmige als auch flüssige Medien.Of the Term "fluid" is in the present Case in its broadest sense, and therefore includes both gaseous as well as liquid Media.

Zur Anregung des Plasmonensystems umfasst der Sensor nach der Erfindung zweckmäßigerweise eine Energiequelle, die beispielsweise auf thermischem Wege oder auf dem Prinzip der inversen Photoemission basierend arbeitet.to Excitation of the plasmon system comprises the sensor according to the invention expediently an energy source, for example, by thermal means or works based on the principle of inverse photoemission.

Bei Anregung der Plasmonen auf thermischem Wege umfasst der Sensor nach der Erfindung vorzugsweise eine Heizeinrichtung für die auf dem Substrat angeordneten Teilchen. Bei einer speziellen Ausführungsform des Sensors ist die Heizeinrichtung von dem Substrat selbst gebildet, das dann vorzugsweise eine Widerstandsheizung darstellt.When the plasmons are excited thermally, the sensor according to the invention preferably comprises a heating device for the particles arranged on the substrate. In a specific embodiment of the sensor, the heating device is formed by the substrate itself, which then preferably as a resistance heating represents.

Die von dem Plasmonensystem abgegebene Strahlung hat eine Frequenz bzw. Wellenlänge, die durch die Abmessungen der Teilchen und die Gitterkonstante des eingesetzten Materials bestimmt ist. Je nach Anwendungsfall kann dann die Wellen länge also auf geeignete Weise über die Teilchenabmessungen eingestellt werden. Grundsätzlich können die Teilchen einen beliebigen Durchmesser haben. Beispielsweise liegt der Teilchendurchmesser zwischen 100 nm und 10 μm. Im Falle eines Infrarot-Gassensors liegen die Gitterkonstanten des eingesetzten Materials im Mikrometerbereich.The radiation emitted by the plasmon system has a frequency or Wavelength, due to the dimensions of the particles and the lattice constant of the used material is determined. Depending on the application can then the waves are so long in a suitable way the particle dimensions are adjusted. Basically, the particles can have any diameter. For example, the particle diameter is between 100 nm and 10 μm. In the case of an infrared gas sensor, the lattice constants of the used material in the micrometer range.

Als Gitterkonstanten sind im vorliegendem Fall die Abstände der Teilchen zueinander zu verstehen.When Lattice constants in the present case are the distances of the To understand particles to each other.

Durch Einsatz des Plasmonensystems bei dem Sensor nach der Erfindung liegt also eine schmalbandige Strahlungserzeugung und Filterung vor, da die beispielsweise thermisch bereitgestellte Energie im Wesentlichen in Strahlung umgesetzt wird, die Wellenlängen hat, die durch die Geometrie der Teilchen und ihrer Abstände festgelegt sind.By Use of the plasmon system in the sensor according to the invention So a narrow-band radiation generation and filtering, because For example, the thermally provided energy substantially is converted into radiation, which has wavelengths determined by the geometry of Particles and their distances are fixed.

Um Plasmonen mit verschiedenen Frequenzen zu generieren, haben die Teilchen bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung in unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedliche Abmessungen, so dass die resultierenden Plasmonen an die entsprechenden Photonenfrequenzen koppeln. Die Selektion der erzeugten Photonenwellenlängen kann dann über die Polarisationsrichtungen der Strahlungen unterschiedlicher Frequenz erfolgen.Around To generate plasmons with different frequencies, have the Particles in a preferred embodiment of the sensor according to the invention in different spatial directions different Dimensions, so that the resulting plasons to the corresponding Couple photon frequencies. The selection of the generated photon wavelengths can then over the polarization directions of the radiations of different frequency respectively.

Insbesondere weisen die Teilchen jeweils zwei Achsen unterschiedlicher Länge auf, wobei der Grundriss der Teilchen vorzugsweise elliptisch, rechteckig oder kreuzförmig sein kann. Die einander entsprechenden Achsen der Teilchen sind parallel zueinander ausgerichtet.Especially the particles each have two axes of different lengths, the plan of the particles is preferably elliptical, rectangular or cross-shaped can be. The corresponding axes of the particles are aligned parallel to each other.

Um die gewünschte Strahlungsmode bzw. die gewünschten Strahlungsmoden des Plasmonensystems selektieren zu können, weist der Sensor nach der Erfindung bei einer speziellen Ausführungsform mindestens einen Polarisator, vorzugsweise zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete Polarisatoren auf. Die Polarisatoren können beispielsweise aus Polarisationsfolien bestehen. Alternativ könnten zur Selektion der Strahlungsmoden natürlich auch entsprechend wirkende, schmalbandige Wellenlängenfilter eingesetzt werden, die jedoch gegenüber Polarisatoren mit einem größeren Herstellungsaufwand verbunden sind.Around the desired Radiation mode or the desired To be able to select radiation modes of the plasmon system has the sensor according to the invention in a special embodiment at least one polarizer, preferably two at right angles to each other aligned polarizers. The polarizers can be made, for example Polarizing films exist. Alternatively, to select the radiation modes Naturally also correspondingly acting, narrow-band wavelength filters be used, but compared to polarizers with a greater manufacturing effort are connected.

Die Teilchen, die das Plasmonensystem bilden, sind vorzugsweise aus im Wesentlichen reinem Metall oder einer Legierung gebildet, da bei diesen Materialien elektronische Vielteilchensysteme vorliegen, deren Eigenschwingungen bzw. Plasmonen in besonders vorteilhafter Weise genutzt werden können.The Particles that form the plasmon system are preferably out essentially pure metal or an alloy formed there there are electronic many particle systems in these materials, their natural oscillations or plasmons in particularly advantageous Way can be used.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments of the subject to The invention are the description, the drawings and the claims removed.

Zeichnungdrawing

Zwei Ausführungsbeispiele eines Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenTwo embodiments a sensor according to the invention are schematic in the drawing simplified and will be described in the following description explained in more detail. It demonstrate

1 eine Prinzipskizze eines Sensors nach der Erfindung; und 1 a schematic diagram of a sensor according to the invention; and

2 eine alternative Ausführung eines Plasmonensystems eines Sensors der in 1 dargestellten Art. 2 an alternative embodiment of a plasmon system of a sensor of 1 shown type.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 ist ein Sensor 10 zur Detektion eines Gases prinziphaft dargestellt, der beispielsweise zur optischen Detektion von Kohlendioxid eingesetzt werden kann.In 1 is a sensor 10 for the detection of a gas shown in principle, which can be used for example for the optical detection of carbon dioxide.

Der Sensor 10 umfasst eine Quelle 12 für elektromagnetische Strahlung zweier Wellenlängen, wobei die Strahlung der beiden Wellenlängen rechtwinklig zueinander polarisiert sind. Die Quelle 12 ist aus einer Vielzahl von Teilchen 14 gebildet, die jeweils einen rechteckigen Grundriss haben. Die Kanten gleicher Länge der Teilchen 14 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Teilchen 14 bestehen jeweils aus einem Metall und sind in strukturierter Form auf einem Substrat 16 angeordnet. Bei dem Metall handelt es sich vorzugsweise um einen chemisch inerten Stoff, wie Gold.The sensor 10 includes a source 12 for electromagnetic radiation of two wavelengths, wherein the radiation of the two wavelengths are polarized at right angles to each other. The source 12 is made up of a variety of particles 14 formed, each having a rectangular floor plan. The edges of equal length of the particles 14 are aligned parallel to each other. The particles 14 each consist of a metal and are in a structured form on a substrate 16 arranged. The metal is preferably a chemically inert material, such as gold.

Das Substrat 16 ist mit einer hier nicht näher dargestellten Spannungsquelle verbunden und dient so als Widerstandsheizung für die Teilchen 14, so dass in den Teilchen 14 jeweils Plasmonen angeregt werden können, deren Frequenz durch die Abmessungen der Teilchen 14 und der Abstände der Teilchen 14 zueinander vorgegeben ist. Die Abstände der Teilchen zueinander liegen beispielsweise im Bereich einiger Mikrometer, wohingegen die Abmessungen der Teilchen entsprechend kleiner zu wählen sind. Die Plasmonen in den Teilchen 14 zerfallen in Photonen, die rechtwinklig zueinander polarisiert sind und deren Wellenlängen denjenigen der Plasmonen in den Teilchen 14 entspricht. Die Photonen werden in einen Messraum 18 abgegeben, in den das zu detektierende Gas gemäß dem in 1 dargestellten Pfeil A einströmt.The substrate 16 is connected to a voltage source not shown here and thus serves as a resistance heating for the particles 14 so that in the particles 14 each plasmon can be excited, their frequency by the dimensions of the particles 14 and the distances of the particles 14 is predetermined to each other. The distances between the particles, for example, in the range of a few microns, whereas the dimensions of the particles are to be chosen correspondingly smaller. The plasmons in the particles 14 disintegrate into photons that polarize at right angles to each other and whose wavelengths are those of the plasmons in the particles 14 equivalent. The photons are in a measuring room 18 in which the gas to be detected according to the in 1 shown arrow A flows.

Hinter dem Messraum 18 sind zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete Polarisatoren 20 und 22 angeordnet. Der Polarisator 20 ist durchlässig für die in x-Richtung polarisierte Strahlung und der Polarisator 22 ist durchlässig für die in y-Richtung polarisierte Strahlung.Behind the measuring room 18 are two orthogonal polarizers 20 and 22 arranged. The polarizer 20 is permeable to the x-polarized radiation and the polarizer 22 is permeable to the radiation polarized in the y-direction.

Hinter den Polarisatoren 20 und 22 ist jeweils ein Detektor 24 bzw. 26 für Infrarotstrahlung angeordnet, wobei der Detektor 24 einen Referenzdetektor und der Detektor 26 einen Messdetektor darstellt.Behind the polarizers 20 and 22 is each a detector 24 respectively. 26 arranged for infrared radiation, wherein the detector 24 a reference detector and the detector 26 represents a measuring detector.

Die parallel der x-Richtung polarisierte Strahlung hat eine durch die Ausdehnung der Teilchen 14 und die Teilchenabstände in x-Richtung vorgegebene, erste Wellenlänge und stellt die Referenzstrahlung dar. Die parallel zu y-Richtung polarisierte Strahlung hat eine durch die Ausdehnung der Teilchen 14 und die Teilchenabstände in y-Richtung vorgegebene zweite Wellenlänge, die von Kohlendioxid absorbiert wird, sodass anhand der mittels der Detektoren 24 und 26 ermittelten Werte auf die Konzentration von Kohlendioxid in dem Messraum 18 geschlossen werden kann.The radiation polarized parallel to the x-direction has one due to the expansion of the particles 14 and the particle spacings in the x-direction predetermined, first wavelength and represents the reference radiation. The polarized parallel to the y-direction radiation has a by the expansion of the particles 14 and the particle spacings in the y-direction predetermined second wavelength, which is absorbed by carbon dioxide, so using the means of the detectors 24 and 26 determined values on the concentration of carbon dioxide in the measuring space 18 can be closed.

In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Plasmonensystems 30 eines Sensors zur Detektion eines Gases der in 1 näher dargestellten Art gezeigt. Das Plasmonensystem 30 ist aus einer Vielzahl von Teilchen 32 gebildet, die jeweils einen identischen elliptischen Grundriss haben, wobei die langen Achsen a bzw. die kurzen Achsen b der Teilchen 32 jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.In 2 is an alternative embodiment of a plasmon system 30 a sensor for detecting a gas of in 1 shown in more detail. The plasmonic system 30 is made up of a variety of particles 32 each having an identical elliptical plan, the long axes a and the short axes b of the particles, respectively 32 are each aligned parallel to each other.

Die Teilchen 32 sind auf einem Substrat 34 angeordnet, das wiederum auf einer als Widerstandsheizelement ausgebildeten Heizeinrichtung 36 angeordnet ist. Mittels der Heizeinrichtung 36 können Plasmonen in den aus einer Legierung gefertigten Teilchen 32 angeregt werden, die beim Zerfall rechtwinklig zueinander polarisierte Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen abgeben.The particles 32 are on a substrate 34 arranged, in turn, on a designed as a resistance heating heater 36 is arranged. By means of the heater 36 may be plasmons in the particles made of an alloy 32 are excited, which emit when polarized at right angles to each other polarized radiation of different wavelengths.

Claims (8)

Sensor zur Detektion eines Fluids, zumindest umfassend eine Quelle (12, 30) zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung, einen Messraum (18) sowie mindestens einen Detektor (24, 26) zur Messung elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (12, 30) zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung aus einem Plasmonensystem gebildet ist, das aus strukturiert auf einem Substrat (16, 34) angeordneten Teilchen (14, 32) gefertigt ist.Sensor for detecting a fluid, at least comprising a source ( 12 . 30 ) for emitting electromagnetic radiation, a measuring space ( 18 ) and at least one detector ( 24 . 26 ) for measuring electromagnetic radiation, characterized in that the source ( 12 . 30 ) for emitting electromagnetic radiation from a plasmon system, which is structured on a substrate ( 16 . 34 ) arranged particles ( 14 . 32 ) is made. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Energiequelle (36) zur Plasmonenanregung.Sensor according to claim 1, characterized by an energy source ( 36 ) for plasmon excitation. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (16, 36) eine Heizeinrichtung für die Teilchen (14, 32) ist.Sensor according to claim 2, characterized in that the energy source ( 16 . 36 ) a heating device for the particles ( 14 . 32 ). Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (16) von dem Substrat gebildet ist.Sensor according to claim 3, characterized in that the heating device ( 16 ) is formed by the substrate. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (14, 32) zwei Achsen unterschiedlicher Länge aufweisen und vorzugsweise einen elliptischen, einen rechteckigen oder einen kreuzförmigen Grundriss haben.Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the particles ( 14 . 32 ) have two axes of different lengths and preferably have an elliptical, a rectangular or a cross-shaped floor plan. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Messraum (18) und dem mindestens einen Detektor (24, 26) mindestens ein Polarisator (20, 22) angeordnet ist.Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the measuring space ( 18 ) and the at least one detector ( 24 . 26 ) at least one polarizer ( 20 . 22 ) is arranged. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (14, 32) jeweils einen Durchmesser haben, der zwischen 100 nm und 10 μm liegt.Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the particles ( 14 . 32 ) each have a diameter which is between 100 nm and 10 microns. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (14, 32) aus einem im Wesentlichen reinen Metall oder einer Legierung gebildet sind.Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the particles ( 14 . 32 ) are formed of a substantially pure metal or alloy.
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