Spectrometrie, het analyseren van zichtbaar en onzichtbaar licht, kent veel toepassingen. Elk materiaal en elk weefsel heeft zijn eigen ‘vingerafdruk’ waar het absorptie en reflectie van licht betreft, en kan zodoende spectrometrisch worden geïdentificeerd. Nauwkeurige spectrometers splitsen het licht met behulp van een prisma of rooster in verschillende kleuren (frequenties), die apart gemeten worden. Zeer nauwkeurige metingen zijn pas op enkele tientallen centimeters na de splitsing mogelijk, als de verschillende golflengtes elkaar niet meer overlappen. Spectrometers zijn daarom grote apparaten.

Microsensor

Onderzoekers van de TU Eindhoven, onder leiding van professor Andrea Fiore en universitair hoofddocent Rob van der Heijden, ontwikkelden echter 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; dat stroompje wordt vervolgens gemeten.

MEMS

Promovendus Žarko Zobenica maakte de cavity uiterst nauwkeurig: hij houdt licht vast van slechts een heel klein frequentiegebiedje. Om een groter frequentiegebied te kunnen meten, legden de onderzoekers twee van hun membranen vlak boven elkaar. De twee membranen beïnvloeden elkaar: verandert de afstand ertussen minimaal, dan schuift ook de lichtfrequentie op die de sensor kan waarnemen. Daarom bouwden de onderzoekers een MEMS (micro-elektromechanisch systeem) in. Dit mechanisme kan 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 (!) verschillende frequenties onderscheiden.

Toekomstmuziek

Om de bruikbaarheid aan te tonen, maakte het onderzoeksteam meerdere toepassingen, onder meer een gassensor. Professor Fiore verwacht dat de nieuwe spectrometer pas over zo’n vijf jaar of meer zijn intree in smartphones zal doen, omdat het bestreken frequentiegebied nu nog te klein is. Zijn groep gaat daarom werken aan het verbreden van het waarneembare spectrum. De verwachting is dat micro-spectrometers uiteindelijk net zo’n belangrijk element worden van de smartphone als de camera, vanwege de ontelbare toepassingsmogelijkheden waarvan CO2- en rookdetectie de twee meest voor de hand liggende zijn. De onderzoekers preseerden hun uitvinding in het blad Nature Communications.