Met je smartphone meten hoe schoon de lucht is. Meten of eten vers is en of een bultje kwaadaardig is of niet. Dit is een stuk dichterbij gekomen dankzij een nieuwe micro-spectrometer van de TU Eindhoven. Het metertje is zo klein dat hij eenvoudig en goedkoop in een mobiele telefoon past.
De TU Eindhoven ontwikkelde het eerste kleine sensortje. Het is net zo nauwkeurig als de gangbare, tafelgrote modellen die momenteel in de wetenschap gebruikt worden. De onderzoekers publiceerden hun vinding eind vorig jaar in het journal Nature Communications. Op het werkingsprincipe van de sensor is patent aangevraagd.
Eigen voetafdruk
Spectrometrie, het analyseren van het zichtbare en onzichtbare licht, kent enorm veel toepassingen. Elk materiaal en weefsel heeft zijn eigen ‘voetafdruk’ qua absorptie en reflectie van licht. Daardoor is het te herkennen met spectrometrie.
Maar nauwkeurige spectrometers zijn groot. Dat komt doordat zo’n apparaat het licht splitst in verschillende kleuren (frequenties), die apart gemeten worden. Vlak na de lichtsplitsing overlappen de bundels van verschillende frequenties elkaar nog. Zeer nauwkeurige metingen kunnen daarom pas op tientallen centimeters na de splitsing gedaan worden.
De Eindhovense onderzoekers ontwikkelden een ingenieuze sensor die op een heel andere manier tot net zo nauwkeurige metingen komt. Ze ontwikkelden hiervoor een speciale ‘photonic crystal cavity’. Dit is een ‘val’ van slechts een paar micrometers groot waar invallend licht niet uit kan ontsnappen. Deze val zit in een membraan, waarin het gevangen licht een klein elektrisch stroompje opwekt, en dat wordt gemeten. Promovendus Žarko Zobenica maakte de cavity zo, dat die heel nauwkeurig is: hij houdt licht vast van slechts een heel klein frequentiegebiedje, en het licht op die frequentie kan hij dus meten.
Membranen
Om een groter frequentiegebied te kunnen meten, legden de onderzoekers twee van hun membranen heel vlak boven elkaar. De twee membranen beïnvloeden elkaar: verandert de afstand ertussen zelfs maar een heel klein beetje, dan schuift ook de lichtfrequentie op die de sensor kan waarnemen.
Dus incorporeerden de onderzoekers, onder leiding van hoogleraar Andrea Fiore en universitair hoofddocent Rob van der Heijden, een MEMS (een micro- elektromechanisch systeem). Dit elektromechanisch bewegingsmechanisme laat de afstand tussen de membranen variëren, en daarmee de gemeten frequentie.
Zo beslaat de sensor uiteindelijk een golflengtegebied van circa dertig nanometer. Binnen dit gebied kan de spectrometer grofweg honderdduizend frequenties onderscheiden, wat uitzonderlijk nauwkeurig is. Dit wordt mogelijk gemaakt doordat de onderzoekers de afstand tussen de membranen op enkele tientallen femtometers (10-15 meter) nauwkeurig kunnen bepalen.
Bruikbaarheid
Om de bruikbaarheid aan te tonen, maakte het onderzoeksteam meerdere toepassingen, onder meer een gassensor. Ook maakten ze een extreem gevoelige bewegingsmeter door slim gebruik te maken van het feit dat de waargenomen frequentie verandert wanneer de twee membranen ten opzichte van elkaar bewegen.
Vijf jaar
Hoogleraar Fiore verwacht dat de nieuwe spectrometer pas over zo’n vijf jaar of meer zijn intree in smartphones doet. Nu is het bestreken frequentiegebied is nog te klein. Zijn groep gaat daarom werken aan het verbreden van het waarneembare spectrum. Ook gaan ze nog een extra element integreren met de micro-spectrometer: een lichtbron. Daarmee wordt de meter onafhankelijk van externe bronnen.
De verwachting is dat micro-spectrometers uiteindelijk net zo’n belangrijk element worden van de smartphone als de camera. Dit vanwege de enorme breedte qua toepassingen.
