Evaneszenz-Feld Partikel-Sensoren

Feststoffaerosole in Atemluft, insbesonders im Feinstaub-Bereich, werden mit einer Vielzahl an Gesundheitsgefährdungen in Verbindung gebracht. Dies bewirkt einen steigenden Bedarf nach persönlichen Messgeräten zur Überwachung der individuellen Belastung. Bislang existieren hier allerdings, trotz diverser einschlägiger nationaler und internationaler F&E Aktivitäten, nur vergleichsweise große, diskret aufgebaute Messgeräte mit begrenzter Portabilität. Damit besteht ein konkreter Bedarf für hochintegrierten Partikelsensoren die z.B. in Smartphones oder „Wearables“ integriert werden können, aber bislang keine zufriedenstellenden Lösungen. Im Umfeld eines themenverwandten F&E-Projekts mit dem Ziel, auf Basis bekannter Messprinzipien hochintegrierte Partikelsensoren zu integrieren, entstand eine neue Idee: die Verwendung evaneszenter Felder entlang der Oberfläche optischer Wellenleiter zur Detektion anhaftender Partikel. Dieses Prinzip der optisch-spektroskopische Analyse ist verschiedentlich in optischen Chemo- und Biosensoren implementiert, wurde aber bislang noch nie für die gezielte Detektion von Partikeln verwendet. Obwohl ein potentiell nutzbarer Effekt bekannt ist existieren bislang noch nicht einmal zuverlässige physikalische Grundlagen bezüglich der Art(en) der Interaktion zwischen dem evaneszenten Feld, dem oder den Partikel(n) an der Oberfläche, und den damit verbundenen Veränderungen des durch den Wellenleiter transmittierten Signals.

Hauptziel des Forschungsprojekts EFiPaS ist der Nachweis der Eignung und Funktionstüchtigkeit des gewählten Waveguide-Ansatzes als Sensorprinzip, und in Folge die Realisierung eines ersten, in Halbleitertechnologie hergestellten Demonstrators eines derartigen Partikelsensors. Das zugeordnete wissenschaftliche Kernziel ist ein umfassendes Verständnis des Sensoreffekts, inklusive konkreter, experimentell validierter Simulationsmodelle. Damit soll untersucht werden, ob neben der Anzahl/Masse der Partikel auch z.B. deren Größenverteilung erfasst werden kann. Die daraus erwarteten technologischen Innovationen inkludieren

1. einen Partikelsensor-Demonstrator in Form eines ca. 3 x 3 mm² Chips, was einer Reduktion des Footprints um mehr als eine Größenordnung entspricht,
2. in Halbleitertechnologie fertigbare optische Waveguides mit anwendungsspezifisch optimierter Form und Funktionalität und
3. die dafür notwendigen, bislang nicht existierenden Fertigungsprozesse, die in Folge auch für weitere technologische Innovationen in der optischen Sensorik und darüber hinaus interessant wären.

Dem substantiellen wissenschaftlichen und technologischen Risiko dieses bislang weitgehend unerprobten Prinzips, steht somit ein entsprechend hoher potentieller wissenschaftlicher, technologischer und mittelfristig auch wirtschaftlicher Nutzen entgegen.