Spectrometrie, het analyseren van het zichtbare en onzichtbare licht, kent enorm veel toepassingen. Elk materiaal en elk weefsel heeft zijn eigen ‘voetafdruk’ qua absorptie en reflectie van licht, en is daardoor 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’, 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.

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.

Honderdduizend frequenties

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.

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.

Hoogleraar Fiore verwacht dat de nieuwe spectrometer pas over zo’n vijf jaar of meer zijn intrede in smartphones doet, want het bestreken frequentiegebied is nu nog te klein. De meter beslaat nu een paar procent van het meest bruikbare spectrum, het nabij-infrarood. 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.

Talloze toepassingen

De verwachting is dat micro-spectrometers uiteindelijk net zo’n belangrijk element worden van de smartphone als de camera, vanwege de enorme breedte qua toepassingen. Denk aan het meten van CO₂, rookdetectie, het vaststellen welk medicijn je vast hebt, het meten van de versheid van etenswaren, het meten van je bloedglucosespiegel, enzovoorts.

De publicatie in Nature Communications is getiteld Integrated nano-opto-electro-mechanical sensor for spectrometry and nanometrology (DOI: 10.1038/s41467-017-02392-5). Het onderzoek vond plaats in samenwerking met AMOLF en kreeg financiering van NWO (STW Open Technologieprogramma). De fotonische chips werden gemaakt in het Nanolab en het Institute for Photonic Integration van de TU/e. Op het werkingsprincipe van de sensor is patent aangevraagd.