Towards an integrated IR-absorption microsensor for the online monitoring of fluids

Summary

In industry, a vast variety of processes can be optimized by means of online measurement of chemical properties of fluids in order to reduce costs for maintenance or increase productivity as well as production quality. In this contribution, we report on the design of a fully integrated infrared absorption sensor, which is capable to determine chemical properties by investigating infrared absorption at selected distinct wavelengths in the mid-infrared region. For example, in order to reduce the frequency of scheduled maintenance of lubrication oil, e.g., in combustion engines, the quality of the deteriorated oil has to be determined, which has been selected as pilot application for our development. Based on results of transmission spectroscopy, we show that by means of a properly designed optical waveguide structure, a sensitivity similar to that obtained by transmission spectroscopy, as used in the laboratory, can be achieved. To achieve a highly sensitive absorption element, a planar mono-mode waveguide is utilized which requires an appropriate coupler to couple the infrared light into the waveguide. The employed grating couplers have been modeled in order to derive a design yielding the desired sensor performance. As the targeted wavelength is located in the mid-infrared region, a suitable infrared source or detector, respectively, can be fabricated by thermal components. Finally, we report on the ongoing technological development to establish the required thin-film processes.

Zusammenfassung

Bei industriellen Anlagen existiert eine Vielzahl von Prozessen für die, durch Online-Messung von chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen, die Kosten für Wartung reduziert und/oder eine Zunahme der Produktivität sowie eine Erhöhung der Produktqualität erreicht werden kann. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem Design eines integrierten Infrarotabsorptionssensors, der chemische Eigenschaften anhand vordefinierter Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich bestimmen kann. Beispielsweise werden in vielen industriellen Anlagen (z. B. Verbrennungskraftmaschinen) Schmiermittel in definierten Wartungsintervallen gewechselt. Um die tatsächliche Lebensdauer eines Schmieröls ausnutzen zu können, muss die Qualität des abgenutzten Öls festgestellt werden. Diese Anwendung wurde als Pilotanwendung ausgewählt. Basierend auf Resultaten der Transmissionsspektroskopie wird gezeigt, dass eine geeignet dimensionierte Wellenleiterstruktur eine zum, in Labors verwendeten, Durchlichtverfahren vergleichbare Empfindlichkeit erreicht. Als hoch empfindliches Absorptionselement wird ein planarer optischer Monomode-Wellenleiter eingesetzt, welcher eine geeignete Kopplerstruktur zur Ein- und Auskopplung der verwendeten Infrarotstrahlung benötigt. Die verwendeten Gitterkoppler wurden simuliert, um ein Design zu entwickeln, welches die gewünschten Sensorcharakteristiken realisiert. Da die zu untersuchende Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich liegt, werden zur Erzeugung und Detektion der Infrarotstrahlung thermische Elemente verwendet. Abschließend wird ein Überblick über die laufenden Arbeiten zur Entwicklung der benötigten technologischen Dünnschichtprozesse gegeben.