Micro-spectrometer maakt smartphone veel slimmer

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 frequenties, die apart gemeten worden. Vlak na de lichtsplitsing overlappen de bundels van verschillende frequenties elkaar nog; nauwkeurige metingen kunnen daarom pas op tientallen centimeters na de splitsing gedaan worden.

Photonic crystal cavity

De nieuwe sensor komt op een heel andere manier tot nauwkeurige metingen . De onderzoekers ontwikkelden een ‘photonic crystal cavity’, een ‘val’ van een paar micrometer 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 heel nauwkeurig: hij houdt licht vast van een heel klein frequentiegebiedje, en het licht op die frequentie kan hij dus meten.

Meer frequenties

Om een groter frequentiegebied te kunnen meten, legden de onderzoekers tweemembranen vlak boven elkaar. Als de afstand tussen de menbranen verandert, verschuift de frequentie die de sensor kan waarnemen mee. Dit wordt aangestuurd met een micro- elektromechanisch systeem (MEMS). Zo beslaat de sensor uiteindelijk een golflengtegebied van circa dertig nanometer waarbinnen de spectrometer  honderdduizend frequenties onderscheidt.

Een tekening van de sensor en zijn werking. Het blauwe, geperforeerde deel is het bovenste membraan, dat in het midden licht invangt. Dat zorgt voor een stroompje, dat gemeten wordt (A). De afstand van het blauwe membraan tot het rode membraan is variabel en kan nauwkeurig worden geregeld. Hierdoor verandert de lichtfrequentie die de sensor kan waarnemen.

Hoogleraar Andrea Fiore verwacht dat de spectrometer over zo’n vijf jaar zijn intree in smartphones doet, want het bestreken frequentiegebied is nu nog te klein. Ook gwil hij een lichtbron integreren om de meter onafhankelijk te maken van externe bronnen.