Små gassensorer med stor klimatpotential

Mid-infraröda gassensorer baserade på integrerad fotonik kan bana väg för billigare och mer träffsäkra system för att upptäcka växthusgaser, giftiga utsläpp och dålig inomhusluft. Samtidigt krymps tekniken till chipnivå.

Hur kan framtidens gassensorer bli billigare, mindre och känsligare? Det är en av huvudfrågorna bakom forskningsprojektet Photonic Crystal-Based Integrated Mid-Infrared Gas Sensors. Satsningen drivs som ett industridoktorandprojekt i samarbete mellan KTH och gasmätningsföretaget Senseair, och finansieras med 2,5 miljoner kronor av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF.
Projektet fokuserar på att skapa optiska gassensorer för mid-IR-området. Detta våglängdsintervall fångar specifika gasers unika absorptions-”fingeravtryck”.
– De här distinkta signaturerna möjliggör specialiserad upptäckt av metan, koldioxid och andra målgaser, berättar Srinivasan Anand, professor i tillämpad fysik vid KTH.

Skräddarsyr ljusets utbredning
Tekniken bygger på optiska vågledare och inkluderar avancerade koncept som fotoniska kristaller och andra nanostrukturerade vågledare för att skräddarsy ljusstyrning så att absorptionen maximeras och gassensorns totala fotavtryck minimeras.
Sarah Zayouna är industridoktorand inom projektet och förklarar mer:
– En av de lösningar vi tittar närmare på baseras på fotoniska kristaller, som kan användas för att kontrollera ljus, mäta gaser och utnyttja så kallade slow light-effekter, där ljuset uppehåller sig längre i strukturen.

Minimal storlek extra fördel
Vad som är extra intressant inom KTH:s och Senseairs projekt är att de strukturer som möjliggör samspelet mellan ljus och gas kan göras extremt små.
– Det färdiga sensorchipet arbetar på millimeterskala, men vågledarna och de fotoniska kristallerna som manipulerar ljus-gas-interaktionen innehåller strukturer på mikro- ned till nanometerskala, berättar dr Stephan Schröder, forskare på Senseair.
Teamet ser stora möjligheter inom bland annat energieffektiva ventilationssystem, industriell säkerhet och miljöövervakning. Just eftersom olika gaser absorberar olika våglängder i mid-IR-området kan sensorerna styras specifikt mot de gaser som ska upptäckas och analyseras.
En viktig drivkraft bakom projektet är också möjligheten att massproducera sensorerna och koppla ihop dem i större nätverk.
– Genom miniatyrisering och integrering kan man masstillverka enheter och sedan koppla samman dem genom Internet of Things (IoT), säger Srinivasan Anand.

Integrera fotoniska komponenter
En av de centrala utmaningarna inom området är att få alla delar att fungera tillsammans på ett stabilt och tillverkningsbart sätt. Forskarna arbetar därför inte bara med sensorelementen, såsom vågledare, resonatorer och fotoniska kristallstrukturer, utan också med ljuskällor och detektorer som kan samverka på ett enda chip.
– En av utmaningarna är att integrera olika fotoniska komponenter i en fungerande sensorenhet, säger Sarah Zayouna.
Projektet har samtidigt successivt rört sig bort från vissa klassiska fotoniska kristallösningar mot nya nanostrukturerade vågledare som bedöms vara enklare att tillverka och mer robusta i praktisk användning. Förhoppningen är därmed att göra forskningen möjlig att skala upp industriellt, snarare än att stanna vid avancerade laboratorieprototyper.

Stora möjligheter framåt
I framtiden skulle tekniken kunna användas för att övervaka allt från metanläckor och industriutsläpp till luftkvalitet i fastigheter och offentliga miljöer.
– Luftkvalitet inomhus är ett väldigt hett område just nu. Man vill göra ventilationssystem så kostnadseffektiva och energieffektiva som möjligt, säger Sarah Zayouna.
Målsättningen är att projektet på sikt ska leda till både patent och nya kommersiella lösningar. Samtidigt betonar forskarna vikten av långsiktig samverkan mellan akademi och industri.
– Det ska inte bara resultera i en doktorsavhandling och sedan inget mer efteråt. För det här är väldigt viktiga områden för miljöövervakning och hållbar utveckling, sammanfattar Srinivasan Anand.