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WO2010028865A1 - Photoakustischer gassensor und dessen verwendung - Google Patents

Photoakustischer gassensor und dessen verwendung Download PDF

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WO2010028865A1
WO2010028865A1 PCT/EP2009/006743 EP2009006743W WO2010028865A1 WO 2010028865 A1 WO2010028865 A1 WO 2010028865A1 EP 2009006743 W EP2009006743 W EP 2009006743W WO 2010028865 A1 WO2010028865 A1 WO 2010028865A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microresonator
waveguide
gas sensor
read
sensor according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2009/006743
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Heidrich
Peter Lützow
Wolfgang Schlaak
Wolfgang Venghaus
Thomas Wegner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miopas GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Miopas GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Miopas GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Miopas GmbH
Priority to EP09778597A priority Critical patent/EP2321628B1/de
Priority to AT09778597T priority patent/ATE545855T1/de
Priority to US13/063,740 priority patent/US8857242B2/en
Publication of WO2010028865A1 publication Critical patent/WO2010028865A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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    • G01N29/02—Analysing fluids
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    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
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    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0215—Mixtures of three or more gases, e.g. air

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor with a mechanical microresonator according to the preamble of the main claim and to a use of such a sensor for analyzing a gas composition.
  • a generic sensor has an excitation device for optically exciting a mechanical oscillation of the microresonator and a read-out device for detecting the oscillation of the microresonator.
  • a sensor is known for example from the document WO 03/104767 A2.
  • the sensor described therein can be used for the selective detection of gases by irradiating a gas in an environment of the microresonator with light of an absorption frequency of the gas, this light being modulated with a resonant frequency of the microresonator.
  • a subharmonic stimulation is also possible.
  • the described sensor can not be used in environments in which the operation of electrical appliances can have harmful effects. This particularly applies to environments with strong electric fields, explosive or highly flammable media and other sensitive environments, such as in medical examination systems.
  • the invention is therefore based on the object to develop a corresponding sensor that allows to analyze a gas composition in electrically sensitive environments. It is a further object of the invention to propose a method of analyzing a gas composition which also in a correspondingly sensitive environment is feasible.
  • the read-out device comprises one together with the
  • Microresonator on a dielectric or semiconductive substrate realized waveguide for optically reading the oscillation of the microresonator wherein the excitation device comprises an optical waveguide realized on the same substrate, which optically connects an excitation light source with an immediate vicinity of the microresonator.
  • the sensor thus comprises a planar integrated optics or is formed by a planar integrated optics.
  • the substrate used is typically a semiconductor substrate. Alternatively, however, the substrate could also be formed from plastic, for example from Plexiglas or another polymer, or from glass. Because an optical waveguide is provided for reading out the oscillations of the microresonator, it becomes possible to read out the mechanical oscillation of the microresonator optically and thus without the use of electricity.
  • waveguides provided for reading the oscillation may be identical to the optical waveguide of the excitation device.
  • the fact that the waveguide of the read-out device, the microre- sonator and the optical waveguide of the excitation device are realized on a single substrate, not only results in an advantageously compact design of the sensor.
  • this prevents the sensor from being able to readjust with the optical read-out device and the optical excitation device, which makes the sensor insensitive and thus eliminates the need for an adjustment effort which would otherwise be required for comparable arrangements.
  • the described sensor can be used in an advantageously simple way for analyzing a gas composition by irradiating a gas in the environment of the resonator with - not necessarily visible - light of the excitation light source in such a way that the micro-resonator is in a vibrational state is offset when a wavelength of this light corresponds to an absorption wavelength of the gas, wherein the vibration state is detected optically by means of the read-out device.
  • a modulation or pulse frequency of the light used for exciting a resonant frequency of the microresonator can be selected accordingly.
  • the absorption wavelength is hereby referred to as the absorption wavelength.
  • a spectral analysis of the gas is thus advantageously without electrical see ladder in the environment of the gas and avoiding external electric fields possible.
  • the substrate is formed by a semiconductor wafer or a part of a semiconductor wafer.
  • the sensor or a large number of corresponding sensors can be easily manufactured by patterning an optical barrier layer formed on the semiconductor wafer, for example, of silicon oxide, and a waveguide layer disposed over the barrier layer by photolithography and etching such that the optical waveguide of the excitation device and the waveguide of the readout device are formed in the waveguide layer, wherein the barrier layer is locally removed so that the microresonator is formed by an undercut structure.
  • the microresonator can be formed in the waveguide layer and / or in a further layer arranged between the waveguide layer and the barrier layer.
  • the waveguide layer may be formed by a semiconductor layer, for example made of silicon, arranged on the barrier layer and may also comprise a further layer, for example of silicon nitride, arranged on the barrier layer or on such a semiconductor layer.
  • the waveguide layer in each case has a higher optical index than the optical barrier layer.
  • the barrier layer can be removed to form the undercut structure in the vicinity of the microfresinator by means of an etchant applied in gaseous or vaporous form and / or subsequently removed by supercritical drying.
  • an optical buffer is referred to as a barrier layer or optical barrier layer.
  • the microresonator and / or the optical waveguide of the excitation device and / or the waveguide of the read-out device are realized in or on a correspondingly structured semiconductor layer or dielectric layer, which is provided by a locally, in particular free-running Divide the microresonator, the removed barrier layer is separated from the substrate.
  • the semiconductor layer will typically be formed by a silicon layer, while in preferred embodiments, the barrier layer may be formed of SiO 2 to allow production of the sensor with established techniques.
  • the substrate may be formed in preferred embodiments of silicon or comprise a silicon layer.
  • the excitation light source may be e.g. be a laser diode or another light-emitting diode, resulting in a particularly compact design of the sensor, although this diode is realized on the substrate. However, the waiver of electrical connections is abandoned.
  • the excitation light source may also be e.g. be connected by fiber coupling with the arranged on the substrate light waveguide of the excitation device. The same can be said for a read-out light source comprised by the read-out device, which can likewise be embodied as a light-emitting diode, and for one or more photosensitive elements
  • Such photosensitive elements can also be realized on the substrate or fiber-coupled to the waveguide of the read-out device.
  • the excitation light source should - preferably by a control or control unit set up in accordance with the program - pulsed, wavelength or intensity modulated with a pulse or modulation frequency which corresponds to a resonant frequency of the microresonator or allows subharmonic or higher harmonic excitation of the mechanical microresonator. This makes it possible to achieve a particularly clear dependence of a vibration amplitude of the microresonator on an absorption frequency of the gas surrounding it.
  • the excitation light source may be configured to emit tunable wavelength light.
  • An absorption spectrum of the gas surrounding the microresonator can then be recorded in a simple manner by recording the oscillation amplitude of the microresonator as a function of the wavelength of the excitation light source, while this wavelength is tuned in at a constant modulation or pulse frequency.
  • the mechanical microresonator may have one or two oscillating arms, which may also be referred to as cantilevers or tongues.
  • the at least one oscillating arm will have a length of between 15 ⁇ m and 300 ⁇ m. The cheapest length will depend on a width of the swing arm and be about 10 to 300 times this width.
  • the mechanical microresonator thus formed may, for example, have a resonance frequency of advantageously between 1 kHz and 1 MHz.
  • the optical waveguide of the excitation device can be guided in such a way that a light exit surface of this optical waveguide is directed onto a space between the oscillating arm and a solid wall, so that an excitation of the optical waveguide is achieved There located gas has a vibration of the swing arm result.
  • the microresonator can also have two tuning fork-like mutually oscillating oscillating arms, wherein the optical waveguide of the excitation device is typically directed in this case to a space between the two oscillating arms, so that irradiation of the gas located there can stimulate a vibration of the microresonator as efficiently as possible.
  • the readout device of the sensor may be configured such that the waveguide or another waveguide of the readout device extends over the swing arm or over at least one of the swing arms of the microresonator.
  • the at least one oscillating arm can either be completely formed as a waveguide or comprise a layer which forms the waveguide.
  • the waveguide or another waveguide of the readout device may extend over a first swing arm and a second swing arm of the microresonator such that overcoupling of light from one end of the first swing arm to one end of the second swing arm is possible.
  • each of the oscillating arms have a training or coupling surface, said coupling surfaces are arranged parallel to each other. In such an arrangement, for example, a change in an optical coupling between the ends of the oscillating arms and thus a change in the transmission between the oscillators in response to a movement of the oscillating arms caused by the oscillation to detect the oscillation.
  • the coupling surfaces at the ends of the two oscillating arms can also be made partially reflecting, so that they form a Fabry-Perot resonator between the two oscillating arms.
  • a change in resonant characteristics of the Fabry-Perot resonator thus formed, which is caused by a vibration of the vibrating arms, can be used to detect the vibration.
  • the waveguide extending over the oscillatory oscillating arms of the microresonator is optically coupled to a further waveguide of the read-out device, for example via an optical fourth gate such as a directional coupler, with which coupling is effected by crosstalk in the evanescent field.
  • an optical fourth gate such as a directional coupler
  • the waveguide extending over the vibrating arms can form an optical resonator whose optical properties depend on the vibrational state of the mechanical microresonator and which is excited to vibrate by the mentioned coupling.
  • the waveguide of the read-out device can be brought to the oscillating arm or at least one of the oscillating arms of the microresonator so that light emerging from this waveguide can be coupled back into the waveguide after reflection on the oscillating arm of the microresonator. Since a phase of the light thus coupled back into the waveguide very sensitively depends on a current position of the swing arm, can also be detected very accurately in this way, a vibration state of the mechanical microresonator.
  • a vibration of the mechanical microresonator can be detected if the readout device comprises at least two waveguides realized on the common substrate, which are optically coupled to one another, wherein one of the waveguides is coupled to the mechanical micro-resonator At the end of one of the two waveguides, a read-out light source is arranged and wherein a photosensitive element is arranged at another end of one of these two waveguides.
  • the read-out light source can be formed by a light-emitting diode, for example a laser diode, preferably realized on the same substrate, the photosensitive element as a detector preferably realized on the same substrate, for example in the form of a photodiode.
  • a coupling between the two waveguides can be achieved by crosstalk in evanescent field, for example via an optical four-port such as a directional coupler.
  • the two waveguides can function as a Michelson interferometer.
  • a sampling of the oscillation state of the microresonator can thus be carried out interferometrically.
  • a feed waveguide coming from the readout light source can extend in sections parallel to a waveguide leading to the detector, so that the feed waveguide can oscillate relative to the latter waveguide and a size of a over-coupling signal depends on the vibrational state of the microresonator.
  • the at least one waveguide of the readout tion can form a waveguide circuit, which is preferably in single-mode, ie exclusively or among other things with single-mode waveguides executed.
  • the read-out light source should thus interact with the waveguide of the read-out device or one of the waveguides of the read-out device such that light coupled into the waveguide by the read-out light source comprises only one spatial mode there.
  • the waveguides can be trimmed in order to enable a loss-poor coupling or uncoupling of light. Also, the coupling surfaces can be anti-reflective.
  • FIG. 1 is a plan view of a sensor in a first embodiment of the invention and including a cross section through this sensor at two different locations,
  • FIG. 2 shows a plan view of a sensor in a second embodiment of the invention and a cross section through a part of this sensor
  • FIG. 3 shows a corresponding representation of a third embodiment of a corresponding sensor
  • FIG. 4 is a perspective view of a mechanical microresonator for use in a comparable sensor.
  • Fig. 5 is a representation of the microresonator
  • Fig. 7 is a perspective view of the same
  • Microresonator which illustrates how a mechanical vibration of the
  • Microresonator is optically read
  • FIG. 8 is a perspective view of an alternative designed microresonator for a corresponding sensor
  • Fig. 9 is a corresponding representation of a microresonator for a corresponding sensor in a further modification
  • FIG. 10 is a perspective view of a microresonator for a sensor of the type shown in FIG.
  • the sensor shown in Fig. 1 is a gas sensor constructed on the basis of a substrate 1 having a thickness of about 0.5 mm and formed by a part of a silicon wafer.
  • a barrier layer 2 is arranged, which has a thickness of about 2 microns and is formed of SiO 2 .
  • the excitation light source 6 is given by a laser diode and forms together with the optical waveguide 5 an excitation device for optically exciting a mechanical vibration of the microresonator. Under certain circumstances, this laser diode, instead of which also another light-emitting diode can be used, be realized on the substrate 1. In order to be able to excite oscillation of the oscillating arm 4, the excitation light source 6 is set up to emit light of tunable wavelength, wherein it is additionally pulsed, wavelength-modulated or intensity-modulated with a pulse or modulation frequency equal to or at a resonant frequency of the mechanical microresonator.
  • the waveguides 7 and 7 ' together with a laser diode 8 arranged at one end of the waveguide 7, a photodiode 9 arranged at one end of the other waveguide 7', a mirror 10 arranged at an opposite end of the waveguide 7 'and a laser diode shown in FIG. 1 not shown control unit for driving the laser diode 8 and for evaluating a signal of the photodiode 9 an interferometric read-out device with which the mechanical vibration of the microresonator can be detected.
  • the waveguide 7 is brought to the oscillating arm 4 of the microresonator so that light emerging from the waveguide 7 after a Reflection on the swing arm 4 is coupled into the waveguide 7 again.
  • the two waveguides 7 and 7 ' are optically coupled to one another by means of a directional coupler 11 which forms an optical four-port, so that crosstalk in the evanescent field of the two waveguides 7 and 7' is possible.
  • the waveguides 7 and 7 1 run in the region of the directional coupler 11 in a close distance parallel to each other, so that in both waveguides 7 and 7 'correlated optical vibrations can form, with a size of a directional coupler 11 over-coupling signal from the vibration state of the microresonator depends ,
  • the reason for this lies in the fact that an optical length of a measuring arm formed by the waveguide 7 depends on a state of movement or vibration of the swinging arm 4.
  • the readout device forms an optical interferometer which, in addition to the said measuring arm, has a reference arm which is formed by the waveguide 7 '.
  • a sampling of the oscillation state of the microresonator with the read-out device described can be done interferometrically.
  • another LED could be used.
  • the part of the described gas sensor formed on the substrate 1 forms a planar integrated optics, wherein in particular the waveguides 7 and 7 'are realized in single-mode technology, ie are dimensioned such that light coupled in from the laser diode 8 in the waveguides 7 and 7 'with only one spatial fashion spreads.
  • this light is modulated by pulses, wavelength or intensity modulation with the resonance frequency of the mechanical microresonator. If the wavelength of this light corresponds to an absorption wavelength - possibly a subharmonic or higher-harmonic excitation wavelength - of the gas, the swing arm 4 is excited to vibrate, because then sets in the vicinity of the swing arm 4, a changing with the resonance frequency pressure.
  • the vibration state of the microresonator is detected in the manner already described by means of the read-out device, so that a spectral analysis of the gas can be carried out without electrical conductors in the vicinity of the gas.
  • the laser diode 8 and the photodiode 9 of the read-out device can also be realized on the substrate 1, ie as part of the integrated optics formed on the substrate 1.
  • another dielectric material may be used to form the substrate 1.
  • FIG. 2 Another embodiment of a corresponding gas sensor is shown in FIG. Recurring features are, as in the following figures, again provided with the same reference numerals, without being explained again in detail.
  • the gas sensor shown in Fig. 2 differs from the embodiment described above only in that the mechanical microresonator has two tuning fork-like oscillating oscillating arms 4 and 4 1 .
  • the oscillating arms 4 and 4 ' are again dimensioned so that the microresonator has a resonant frequency of the same order of magnitude as in the embodiment described above.
  • the optical waveguide 5 of the excitation device is directed in this case to a gap between the two oscillating arms 4 and 4 ', so that during operation of the excitation light source 6 in the manner described above, for example, the fundamental mode of the microresonator is excited, in which the oscillating arms 4 and 4' against each other swing.
  • the fundamental mode instead of the fundamental mode, another mode of the mechanical microresonator can be excited in a corresponding manner.
  • the microresonator of the gas sensor has two tuning fork-like vibrating arms 4 and 4 1 , wherein the read-out device, unlike the embodiment described above, a further waveguide 7 "which extends over the two oscillating arms 4 and 4 'of the microresonator and In the present embodiment, the oscillating arms 4 and 4 'are completely formed as waveguides,
  • the optical ring resonator formed by the further waveguide 7 is coupled to the waveguide 7' by means of an additional directional coupler 12 and thereby forms a part the read-out device of this gas sensor.
  • the oscillating arms 4 and 4 'of the microresonator which can be excited to oscillate here as in the previously described embodiment, terminate in two mutually parallel coupling surfaces, so that light between the ends of the two oscillating arms 4 and 4' can over-couple.
  • the strength of the so between the ends of the two oscillating arms 4 and 4 'realized optical coupling depends on a current distance between these two Ends and thus of a vibrational state of the mechanical microresonator.
  • the two coupling surfaces at the ends of the oscillating arms 4 and 4 'be made partially reflecting, so that they between the two oscillating arms 4 and 4' a
  • the oscillation of the microresonator with the oscillating arms 4 and 4 ' preferably takes place again by an optical pulse excitation by transmitting optical pulses via the optical waveguide 5 at a pulse repetition rate which corresponds to a mechanical resonance frequency of the microresonator corresponds to be fed into the gap between the two oscillating arms 4 and 4 '.
  • These pulses cause the gas to be detected to vibrate by means of frequency-selective absorption and lead to a high resonance amplitude of the micro ring.
  • An associated deflection of the oscillating arms 4 and 4 'of the microresonator is detected here by a shift of the so-called free spectral ranks (FSR) or in general by a change in the resonant properties of the integrated resonant ring resonator formed by the microresonator.
  • FSR free spectral ranks
  • the waveguide 7 'of the read-out device formed by a detection waveguide circuit is optically coupled to the micro-ring by the directional coupler 12, a resonance frequency shift of the optical ring resonator can be achieved
  • the read-out device in the present case except the laser diode 8, which acts as a read-out light source, two photodiodes 9 and 9 'and a mirror 10, which are each connected to one end of the waveguide 7 or 7 1 .
  • one of the photodiodes 9 or 9 'could also be replaced by a further reflective element.
  • both the excitation device and the readout device are formed by a planar integrated-optical waveguide circuit, with the waveguides 7 and 7 'of the readout device exhibiting a Michelson interferometer configuration.
  • the waveguides 7 and 7 1 define a spatially fixed detection path, so that no adjustment between the microresonator and the detection path is required.
  • FIG. 4 shows a microresonator with two oscillating arms 4 and 4 'which can be used in a comparable sensor. It illustrates how a mechanical vibration of the microresonator, in which the two oscillating arms 4 and 4 'oscillate against each other like a tuning fork, can be excited optically by irradiating light from two different directions 13 or 13' into a space between the ends of the two oscillators - me 4 and 4 1 .
  • FIG. 5 illustrates how characterized ⁇ pressure fluctuations can be generated at a suitable choice of the wavelength and a PuIs- or modulation frequency of the light used to excite between the ends of the oscillation arms 4 and 4, which depends the microresonator formed by the oscillation arms 4 and 4 ' from the absorption properties of stimulate surrounding gas to a mechanical vibration.
  • Fig. 6 illustrates, in a corresponding representation, an alternative excitation of a mechanical vibration of a similar microresonator, in which the light for exciting the vibration is not radiated between the ends of the oscillating arms 4 and 4 ', but centrally in a formed by the oscillating arms 4 and 4 1 Ring.
  • Fig. 7 the microresonator of Fig. 4, which is designed either completely or in one of several layers as an optical waveguide, shown again.
  • a readout light source not shown here
  • the microresonator For detecting the mechanical vibration of the microresonator, light is fed from a readout light source, not shown here, into the microresonator, which is reflected at the ends of the oscillating arms 4 and 4 'and / or coupled between the ends of the oscillating arms 4 and 4' can, for a detection with a photosensitive element - corresponding to the photodiode 9 of the embodiments of FIGS. 1 to 3 - to be decoupled again.
  • An intensity of the coupled out light 14 ' depends on a vibration of the oscillating arms 4 and 4', through which the exiting light 14 'is modulated.
  • This modulation can result from a weakening of the optical coupling between the oscillating arms 4 and 4 'with increasing distance between the ends of these oscillating arms 4 and 4' and / or by a change in resonance properties caused thereby between the ends of the oscillating arms 4 and 4 'formed Fabry-Perot resonator.
  • FIG. 8 and 9 are other versions of Microresonators each with two oscillating arms 4 and 4 1 are shown, which can be used in similar sensors to be excited optically to a mechanical vibration, which is also optically detected.
  • Another microresonator similar to the microresonator of the embodiment of FIG. 1 and having only one swing arm 4 is shown in FIG.
  • the oscillating arm 4 of the microresonator can be excited by irradiation with light of an excitation source from one of two possible directions 13 or 13 'to an optically read oscillation, when this light is modulated at a frequency corresponding to a resonant frequency of the microresonator , and a wavelength corresponding to an absorption wavelength - possibly also a subharmonic or higher harmonic excitation wavelength - of a gas located in the vicinity of the swing arm 4.
  • the light of the excitation source is directed to a space between the swing arm 4 and an adjacent fixed wall 15.
  • a coupling region between the excitation device and the microresonator which is formed between the swing arm 4 and the wall 15, also be designed so that an excitation pulse repeated by reflection on reflective elements can interact with the gas to be examined.
  • a change in optical properties of the read-out device is used to measure or evaluate a generated vibration of the microresonator.
  • at least parts of the microresonator which is a mechanical one, are provided for this purpose oscillatory system is formed so that they act as optical waveguides.
  • the proposed optical detection of the oscillation of the microresonator can take place in different ways and exploit different effects, in particular the change of a formed between the ends of the oscillating arms 4 and 4 'of the respective microresonator Fabry-Perot resonator, a change in intensity when coupling light between these ends and a crosstalk of light in the evanescent field between different waveguides 7, 7 1 and 7 ".
  • the detection of the mechanical vibration can be effected in particular by an interferometric read-out.
  • the proposed sensors are held in an integrated-optical design, for example based on silicon, which allows miniaturization of the sensors to chip-based systems.
  • the proposed shape of the microresonators results in a high quality of the oscillators formed by them and thus a high detection sensitivity.
  • the fact that the respective vibration state of the microresonator is optically interrogated, a decoupling of the sensor can also be achieved by optionally existing electronic components.
  • the construction on a common substrate 1 has the consequence that a complicated adjustment in a sensor head, which contains the substrate 1 and the components arranged thereon, is unnecessary.
  • a miniaturization of the proposed sensors is made possible by their integrated optical design in planar technology. Cost-effective mass production can be realized by a whole-wafer technique.
  • the optical detection provided for reading out the oscillation can determine an amplitude of a deflection of the mechanical microresonator with a submicrometer resolution. This is for the detection of
  • Shrinkage preferably uses coherent laser radiation, preferably in the form of single-mode laser signals.
  • coherent laser radiation preferably in the form of single-mode laser signals.
  • the excitation of a mechanical vibration of the respective microresonator is optical or acousto-optic, the vibration thus generated is read out via a vibration-induced change in light intensity, wavelength or phase of a test light beam, in particular using an evanescent interaction of electromagnetic fields, optical Mode couplings or diffraction effects.
  • Another possible embodiment provides for optical coupling of two or more vibrating nanowires as microresonators.
  • the entire sensor element is completely fiber or waveguide-coupled.
  • the sensor can be embodied completely as an integrated-optical element or even in a hybrid arrangement in which only part of the sensor forms a planar-integrated optic.
  • a sensor of the type proposed is conceivable as a single embodiment or else as an optical waveguide-coupled sensor system network in which individual sensors are characterized by different resonance frequencies and / or in the individual sensor elements by individual readout wavelengths or modulation frequencies. be read out frequencies of a sample beam.
  • the optical waveguides used in the sensor may be made of monocrystalline semiconductor material or other dielectric material. Typical is a planar realization of the sensor in SOI technology, in which the oxide layer is etched free in an environment of the microresonator.
  • the preferably optically single-mode waveguides can be formed as a rib waveguide or as a rib-loaded layer waveguide.
  • the optical waveguide, which connects the excitation light wave with the surroundings of the microresonator, can be embodied as an io waveguide.
  • the excitation pulses and the scanning signals are guided in a single waveguide.
  • a light signal used for exciting can also be used simultaneously to read out a current oscillation state of the micro-resonator.
  • the current vibrational state of the microresonator can be scanned by performing a reflected beam on the microresonator by means of an io-Michelson interferometer or an io-Young interferometer, wherein the waveguide circuit forming the read-out device is preferably realized in single-mode technology.
  • the optical waveguide of the excitation device may well be multi-mode.
  • the used optical waveguides can be opened in width. be pert.
  • the mechanical microresonator can be introduced into a suitable gas resonator or between suitable gas reflectors in such a way that an excitation energy introduced by the excitation light source is converted as effectively as possible into a vibrational energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem mechanischen Mikroresonator, der eine Anregungsvorrichtung zum optischen Anregen einer mechanischen Schwingung des Mikroresonators sowie eine Auslesevorrichtung zum Detektieren der Schwingung des Mikroresonators aufweist, wobei die Auslesevorrichtung einen zusammen mit dem Mikroresonator auf einem dielektrisehen oder halbleitenden Substrat (1) realisierten Wellenleiter (7, 7') zum optischen Auslesen der Schwingung des Mikroresonators umfasst und wobei die Anregungsvorrichtung einen auf demselben Substrat (1) realisierten Lichtwellenleiter (5) aufweist, der eine Anregungslichtquelle (6) optisch mit einer unmittelbaren Umgebung des Mikroresonators verbindet. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines solchen Sensors zum Analysieren einer Gaszusammensetzung.

Description

PHOTOAKUSTISCHER GASSENSOR UND DESSEN VERWENDUNG
Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem mechanischen Mikroresonator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Verwendung eines derartigen Sensors zum Analysieren einer Gaszusammensetzung.
Ein gattungsgemäßer Sensor weist eine Anregungsvorrichtung zum optischen Anregen einer mechanischen Schwingung des Mikroresonators sowie eine Auslesevorrichtung zum Detektieren der Schwingung des Mikroresonators auf. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 03/104767 A2 bekannt. Der dort beschriebene Sensor kann zum selektiven Detek- tieren von Gasen verwendet werden, indem ein in einer Umgebung des Mikroresonators befindliches Gas mit Licht einer Absorptionsfrequenz des Gases bestrahlt wird, wobei dieses Licht mit einer Resonanzfrequenz des Mikroresonators moduliert wird. Dabei kann die Absorptionsfrequenz einer Absorptionsspektrallinie des Gases entsprechen oder im Fall einer höherharmonischen Anregung einem ganzzahligen Vielfachen davon. Möglich ist auch eine subharmonische Anregung. Eine Absorption dieses Lichts durch das Gas bewirkt dann eine Druckschwankung mit einer der Resonanzfrequenz des Mikroresonators entsprechenden Zeitabhängigkeit, wodurch der Mikroresonator zum Schwingen angeregt wird. Da dabei eine Schwingungsamplitude des Mikroresonators signifikant davon abhängt, ob und wie stark das Gas in der Umgebung des Mikroresonators Licht der Frequenz bzw. Wellenlänge des zum Anregen verwendeten Lichts absorbiert, kann von einer Beobachtung einer Schwingung des Mikroresonators auf eine Zusammensetzung des Gases zurückgeschlossen werden. Bei dem Stand der Technik aus der genannten Druckschrift wird die Schwingung des Mikroresonators dazu detektiert, indem eine durch eine Bewegung des Mikroresonators erzeugte Piezospannung gemessen wird, die mechanische Schwingung also in ein elektrisches Signal umgewan- delt wird.
Nachteiligerweise kann der beschriebene Sensor daher nicht in Umgebungen eingesetzt werden, in denen ein Betrieb elektrischer Geräte schädliche Wirkungen ha- ben kann. Das betrifft insbesondere Umgebungen mit starken elektrischen Feldern, explosiven oder leicht entzündlichen Medien und aus anderen Gründen empfindliche Umgebungen, beispielsweise in medizinischen Untersuchungsanordnungen .
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden Sensor zu entwickeln, der eine Gaszusammensetzung auch in elektrisch empfindlichen Umgebungen zu analysieren erlaubt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Analysieren einer Gaszusammensetzung vorzuschlagen, das auch in einer entsprechend empfindlichen Umgebung durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch eine Verwendung dieses Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- entwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche .
Bei dem vorgeschlagenen Gassensor, der nachfolgend gelegentlich auch nur als Sensor bezeichnet wird, um- fasst die Auslesevorrichtung einen zusammen mit dem
Mikroresonator auf einem dielektrischen oder halbleitenden Substrat realisierten Wellenleiter zum optischen Auslesen der Schwingung des Mikroresonators, wobei die Anregungsvorrichtung einen auf demselben Substrat realisierten Lichtwellenleiter aufweist, der eine Anregungslichtquelle optisch mit einer unmittelbaren Umgebung des Mikroresonators verbindet . Der Sensor umfasst damit eine planar- integrierte Optik oder wird durch eine planar- integrierte Optik gebil- det. Als Substrat wird dabei typischerweise ein Halbleitersubstrat verwendet. Alternativ könnte das Substrat aber auch aus Kunststoff, beispielsweise aus Plexiglas oder einem anderen Polymer, oder aus Glas gebildet sein. Dadurch, dass zum Auslesen der Schwin- gungen des Mikroresonators ein optischer Wellenleiter vorgesehen ist, wird es möglich, die mechanische Schwingung des Mikroresonators optisch und damit ohne Einsatz von Elektrizität auszulesen. Das ermöglicht einen Einsatz des Sensors auch in Umgebungen, in de- nen elektrische Felder und eine Präsenz elektrischer Leiter vermieden werden muss. Dabei kann der zum op- tischen Auslesen der Schwingung vorgesehene Wellenleiter unter Umständen mit dem Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung identisch sein. Dadurch, dass der Wellenleiter der Auslesevorrichtung, der Mikrore- sonator und der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung auf einem einzigen Substrat realisiert sind, ergibt sich nicht nur ein vorteilhaft kompakter Aufbau des Sensors. Zusätzlich wird dadurch verhindert, dass sich der Sensor mit der optischen Auslesevor- richtung und der optischen Anregungsvorrichtung dejustieren kann, was den Sensor unempfindlich macht und womit sich ein bei vergleichbaren Anordnungen sonst erforderlicher Justageaufwand erübrigt.
Der beschriebene Sensor kann in vorteilhaft einfacher Weise zum Analysieren einer GasZusammensetzung verwendet werden, indem ein in der Umgebung des Resonators befindliches und zu analysierendes Gas mit - nicht notwendigerweise sichtbarem - Licht der Anre- gungslichtquelle so bestrahlt wird, dass der Mikrore- sonator in einen Schwingungszustand versetzt wird, wenn eine Wellenlänge dieses Lichts einer Absorptionswellenlänge des Gases entspricht, wobei der Schwingungszustand mittels der Auslesevorrichtung op- tisch detektiert wird. Dazu kann eine Modulationsoder Pulsfrequenz des zum Anregen verwendeten Lichts einer Resonanzfrequenz des Mikroresonators entsprechend gewählt werden. Als Absorptionswellenlänge seien dabei nicht nur Wellenlängen bezeichnet, die einer Absorptionsspektrallinie des Gases entsprechen, sondern auch insbesondere ganzzahlige Vielfache oder einfache Bruchteile davon, die eine höher- oder subharmonische Anregung erlauben. Eine Spektralanalyse des Gases ist so in vorteilhafter Weise ohne elektri- sehe Leiter in der Umgebung des Gases und bei Vermeidung externer elektrischer Felder möglich. Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung wird das Substrat durch einen Halbleiterwafer oder einen Teil eines Halbleiterwafers gebildet. Dann kann der Sensor oder auch eine große Zahl entsprechender Sensoren in einfacher Weise hergestellt werden, indem eine auf dem Halbleiterwafer angeordnete optische Sperrschicht, die beispielsweise aus Siliziumoxid gebildet sein kann, und eine über der Sperrschicht angeordnete Wellenleiterschicht durch Photolithographie und Ätzen so strukturiert werden, dass der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung und der Wellenleiter der Auslesevorrichtung in der Wellenleiterschicht gebildet werden, wobei die Sperrschicht stellenweise so entfernt wird, dass der Mikroresonator durch eine hinterschnittige Struktur gebildet wird. Dabei kann der Mikroresonator in der Wellenleiterschicht und/oder in einer zwischen der Wellenleiterschicht und der Sperrschicht angeordneten weiteren Schicht gebildet werden. Die Wellenleiterschicht kann durch eine auf der Sperrschicht angeordnete Halbleiterschicht, beispielsweise aus Silizium, gebildet werden und kann auch eine auf der Sperrschicht oder auf einer solchen Halbleiterschicht angeordnete weitere Schicht, beispielsweise aus Siliziumnitrit, umfassen. Die Wellenleiterschicht weist jedenfalls jeweils einen höheren optischen Index als die optische Sperrschicht auf. Die Sperrschicht kann zur Bildung der hinterschnittigen Struktur in der Umgebung des Mikro- resonators mittels eines gasförmig oder dampfförmig applizierten und/oder anschließend durch Supercriti- cal Drying entfernten Ätzmittels abgetragen werden. Als Sperrschicht oder optische Sperrschicht sei dabei in der vorliegenden Schrift ein optischer Puffer be- zeichnet. So erhält man einen vorteilhaft einfach realisierbaren Aufbau des Sensors, bei dem der Mikroresonator und/oder der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung und/oder der Wellenleiter der Auslesevorrichtung in oder auf einer entsprechend strukturierten Halbleiterschicht oder dielektrischen Schicht realisiert sind, die durch eine stellenweise, insbesondere unter freischwingenden Teilen des Mikroresonators, entfernte Sperrschicht von dem Substrat getrennt ist. Dabei wird die Halbleiterschicht typischerweise durch eine Siliziumschicht gebildet sein, während die Sperrschicht bei bevorzugten Ausführungen aus SiO2 gebildet sein kann, um eine Herstellung des Sensors mit bewährten Techniken zu erlauben. Auch das Substrat kann bei bevorzugten Ausführungen aus Silizium gebildet sein oder eine Siliziumschicht umfassen.
Die Anregungslichtquelle kann z.B. eine Laserdiode oder eine andere Licht-emittierende Diode sein, wobei sich ein besonders kompakter Aufbau des Sensors ergibt, wenn auch diese Diode auf dem Substrat realisiert ist. Allerdings wird damit der Verzicht auf elektrische Anschlüsse aufgegeben. Alternativ kann die Anregungslichtquelle aber auch z.B. durch Faser- kopplung mit dem auf dem Substrat angeordneten Licht- Wellenleiter der Anregungsvorrichtung verbunden sein. Entsprechendes kann für eine von der Auslesevorrichtung umfasste Ausleselichtquelle, die ebenfalls als Licht-emittierende Diode ausgeführt sein kann, und für ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente der
Auslesevorrichtung gelten. Auch solche lichtempfindlichen Elemente können auf dem Substrat realisiert oder mit dem Wellenleiter der Auslesevorrichtung fasergekoppelt sein.
Die Anregungslichtquelle sollte - vorzugsweise durch eine entsprechend programmtechnisch eingerichtete Steuer- oder Kontrolleinheit - gepulst, wellenlängen- oder intensitätsmoduliert betreibbar sein mit einer Puls- oder Modulationsfrequenz, die einer Resonanz - frequenz des Mikroresonators entspricht oder eine sub- oder höherharmonische Anregung des mechanischen Mikroresonators erlaubt. Damit lässt sich eine besonders deutliche Abhängigkeit einer Schwingungsamplitude des Mikroresonators von einer Absorptionsfrequenz des ihn umgebenden Gases erreichen. Um eine Spektralanalyse eines Gases über einen ausgedehnten Wellenbereich zu ermöglichen, kann die Anregungslichtquelle zum Ausstrahlen von Licht durchstimmbarer Wellenlänge eingerichtet sein. Ein Absorptionsspektrum des den Mikroresonator umgebenden Gases lässt sich dann in einfacher Weise aufnehmen, indem die Schwingungsamp- litude des Mikroresonators in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Anregungslichtquelle aufgezeichnet wird, während diese Wellenlänge bei gleich bleibender Modulations- oder Pulsfrequenz durchgestimmt wird.
Der mechanische Mikroresonator kann einen oder zwei Schwingarme aufweisen, die auch als Cantilever oder Zungen bezeichnet werden können. Typischerweise wird der mindestens eine Schwingarm dabei eine Länge von zwischen 15 μm und 300 μm aufweisen. Die günstigste Länge wird dabei von einer Breite des Schwingarms abhängen und etwa ein 10- bis 300-faches dieser Breite betragen. Der so gebildete mechanische Mikroresonator kann z.B. eine Resonanzfrequenz von zweckmäßigerweise zwischen 1 kHz und 1 MHz haben. Wenn der Mikroresonator nur einen Schwingarm aufweist, kann der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung so geführt werden, dass eine Lichtaustrittsfläche dieses Lichtwellenlei- ters auf einen Raum zwischen dem Schwingarm und einer festen Wand gerichtet ist, damit eine Anregung des dort befindlichen Gases eine Schwingung des Schwingarms zur Folge hat . Der Mikroresonator kann aber auch zwei stimmgabelartig gegeneinander schwingende Schwingarme aufweisen, wobei der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung in diesem Fall typischerweise auf einen Raum zwischen den beiden Schwingarmen gerichtet ist, damit eine Bestrahlung des dort befindlichen Gases möglichst effizient eine Schwingung des Mikroresonators anregen kann.
Die Auslesevorrichtung des Sensors kann so gestaltet sein, dass sich der Wellenleiter oder ein weiterer Wellenleiter der Auslesevorrichtung über den Schwingarm oder über mindestens einen der Schwingarme des Mikroresonators erstreckt. Dazu kann der mindestens eine Schwingarm entweder vollständig als Wellenleiter ausgebildet sein oder eine Schicht umfassen, die den Wellenleiter bildet. Dadurch wird in konstruktiv einfacher Weise erreicht, dass sich optische Eigenschaf- ten des Wellenleiters und damit der Auslesevorrichtung mit einer Bewegung des Mikroresonators ändern, um ein Detektieren der Schwingung des Mikroresonators zu ermöglichen.
Der Wellenleiter oder ein weiterer Wellenleiter der Auslesevorrichtung kann sich insbesondere so über einen ersten Schwingarm und einen zweiten Schwingarm des Mikroresonators erstrecken, dass ein Überkoppeln von Licht von einem Ende des ersten Schwingarms zu einem Ende des zweiten Schwingarms möglich ist. Dazu kann z.B. jeder der Schwingarme eine Aus- oder Einkoppelfläche aufweisen, wobei diese Koppelflächen einander parallel gegenüberliegend angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung kann z.B. eine Ände- rung einer optischen Kopplung zwischen den Enden der Schwingarme und damit eine Änderung der Transmission zwischen den Schwingannen in Abhängigkeit von einer durch die Schwingung verursachten Bewegung der Schwingarme zum Detektieren der Schwingung verwendet werden .
Die Koppelflächen an den Enden der beiden Schwingarme können auch teilreflektierend ausgeführt sein, so dass sie einen Fabry-Perot-Resonator zwischen den beiden Schwingarmen bilden. In diesem Fall kann eine Änderung von Resonanzeigenschaften des so gebildeten Fabry-Perot-Resonators, die durch eine Schwingung der Schwingarme verursacht wird, zum Detektieren der Schwingung verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der sich über die schwingfähigen Schwingarme des Mikroresonators erstreckende Wellenleiter optisch mit einem weiteren Wellenleiter der Auslesevorrichtung gekoppelt ist, beispielsweise über ein optisches Viertor wie einen Richtkoppler, mit dem eine Kopplung durch Übersprechen im evaneszenten Feld bewirkt wird. Dann kann der sich über die Schwingarme erstreckende Wellenleiter einen optischen Resonator bilden, dessen optische Eigenschaften vom Schwingungszustand des mechanischen Mikroresonators abhängen und der durch die erwähnte Kopplung zum Schwingen angeregt wird.
Bei einer anderen Ausführung kann der Wellenleiter der Auslesevorrichtung so an den Schwingarm oder an mindestens einen der Schwingarme des Mikroresonators herangeführt sein, dass aus diesem Wellenleiter austretendes Licht nach einer Reflexion an dem Schwingarm des Mikroresonators wieder in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Da eine Phase des so wieder in den Wellenleiter eingekoppelten Lichts sehr sensitiv von einer aktuellen Position des Schwingarms abhängt, kann auch auf diese Weise ein Schwingungszustand des mechanischen Mikroresonators sehr genau detektiert werden.
In besonders zuverlässiger Weise kann eine Schwingung des mechanischen Mikroresonators detektiert werden, wenn die Auslesevorrichtung mindestens zwei auf dem gemeinsamen Substrat realisierte Wellenleiter um- fasst, die optisch miteinander gekoppelt sind, wobei einer der Wellenleiter mit dem mechanischen Mikrore- sonator gekoppelt ist, wobei an einem Ende eines der beiden Wellenleiter eine Ausleselichtquelle angeordnet ist und wobei an einem anderen Ende eines dieser beiden Wellenleiter ein lichtempfindliches Element angeordnet ist. Dabei kann die Ausleselichtquelle durch eine vorzugsweise auf demselben Substrat realisierte Licht-emittierende Diode, beispielsweise eine Laserdiode, gebildet sein, das lichtempfindliche Element als ein vorzugsweise auf demselben Substrat rea- lisierter Detektor, beispielsweise in Form einer Photodiode. Eine Kopplung zwischen den zwei Wellenleitern kann durch Übersprechen in evaneszenten Feld erreicht werden, beispielsweise über ein optisches Viertor wie einen Richtkoppler . Auf diese Weise kön- nen die beiden Wellenleiter als Michelson-Inter- ferometer fungieren. Eine Abtastung des Schwingungs- zustands des Mikroresonators kann so interferometrisch erfolgen. Dazu kann ein von der Ausleselichtquelle kommender Zuführungswellenleiter streckenweise parallel zu einem zum Detektor führenden Wellenleiter verlaufen, so dass der Zuführungswellenleiter relativ zu dem letztgenannten Wellenleiter schwingen kann und eine Größe eines überkoppelnden Signals vom Schwingungszustand des Mikroresonators abhängt.
Der mindestens eine Wellenleiter der Auslesevorrich- tung kann einen Wellenleiterschaltkreis bilden, der vorzugsweise in Einmodentechnik, also ausschließlich oder unter anderem mit einmodigen Wellenleitern, ausgeführt ist. Die Ausleselichtquelle sollte also so mit dem Wellenleiter der Auslesevorrichtung oder einem der Wellenleiter der Auslesevorrichtung zusammenwirken, dass von der Ausleselichtquelle in den Wellenleiter eingekoppeltes Licht dort nur eine räumliche Mode umfasst. An Koppelflächen können die Wellen- leiter aufgetapert sein, um ein verlustärmeres Ein- oder Auskoppeln von Licht zu ermöglichen. Auch können die Koppelflächen dazu entspiegelt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fign. 1 bis 12 erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Sensor in einer ersten Ausführung der Erfindung sowie darunter einen Querschnitt durch diesen Sensor an zwei verschiedenen Stellen,
Fig. 2 in entsprechender Darstellung eine Aufsicht eines Sensors in einer zweiten Ausführung der Erfindung sowie einen Querschnitt durch einen Teil dieses Sensors,
Fig. 3 in entsprechender Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel für einen entsprechenden Sensor,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Mikroresonators zur Verwendung in einem vergleichbaren Sensor,
Fig. 5 eine Darstellung des Mikroresonators aus
Fig. 4, die veranschaulicht, wie dieser zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird,
Fig. 6 in entsprechender Darstellung eine alterna- tive Anregung einer mechanischen Schwingung dieses Mikroresonators,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung desselben
Mikroresonators, in der veranschaulicht ist, wie eine mechanische Schwingung des
Mikroresonators optisch ausgelesen wird,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines alternativ gestalteten Mikroresonators für einen entsprechenden Sensor,
Fig. 9 eine entsprechende Darstellung eines Mikroresonators für einen entsprechenden Sensor in einer weiteren Abwandlung und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Mikroresonators für einen Sensor der in Fig. 1 abgebildeten Art.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Sensor handelt es sich um einen Gassensor, der auf Basis eines Substrats 1 aufgebaut ist, das eine Dicke von etwa 0,5 mm hat und durch einen Teil eines Siliziumwafers gebildet ist. Auf diesem Substrat 1 ist eine Sperr- schicht 2 angeordnet, die eine Dicke von etwa 2 μm hat und aus SiO2 gebildet ist. Stehen gebliebene Reste einer ursprünglich flächendeckend über der Sperrschicht 2 angeordneten Siliziumschicht 3 bilden durch eine entsprechende Strukturierung einen durch einen Schwingarm 4 realisierten mechanischen Mikroresona- tor, einen Lichtwellenleiter 5, der eine Anregungs- lichtquelle 6 mit einer unmittelbaren Umgebung des Schwingarms 4 verbindet, sowie zwei optische Wellenleiter 7 und T1 die zum optischen Auslesen einer mechanischen Schwingung des Mikroresonators dienen. Die Sperrschicht 2, die in der Aufsicht aus Fig. 1 schraffiert dargestellt ist, ist stellenweise entfernt, insbesondere unter einem freischwingenden Teil des Schwingarms 4. Die Anregungslichtquelle 6 ist durch eine Laserdiode gegeben und bildet zusammen mit dem Lichtwellenleiter 5 eine Anregungsvorrichtung zum optischen Anregen einer mechanischen Schwingung des Mikroresonators. Unter Umständen kann auch diese Laserdiode, anstelle derer auch eine andere Licht- emittierende Diode verwendet werden kann, auf dem Substrat 1 realisiert sein. Um eine Schwingung des Schwingarms 4 anregen zu können, ist die Anregungs- lichtquelle 6 zum Ausstrahlen von Licht durchstimmba- rer Wellenlänge eingerichtet, wobei sie zusätzlich gepulst, wellenlängenmoduliert oder intensitätsmodu- liert betreibbar ist mit einer Puls- oder Modulationsfrequenz, die der oder einer Resonanzfrequenz des mechanischen Mikroresonators entspricht.
Die Wellenleiter 7 und 7' bilden zusammen mit einer an einem Ende des Welleleiters 7 angeordneten Laserdiode 8, einer an einem Ende des anderen Wellenleiters 7' angeordneten Photodiode 9, einem an einem entgegengesetzten Ende des Wellenleiters 7 ' angeordneten Spiegel 10 und einer in Fig. 1 nicht abgebilde- ten Kontrolleinheit zum Ansteuern der Laserdiode 8 und zum Auswerten eines Signals der Photodiode 9 eine interferometrische Auslesevorrichtung, mit der die mechanische Schwingung des Mikroresonators detektiert werden kann. Dazu ist der Wellenleiter 7 so an den Schwingarm 4 des Mikroresonators herangeführt, dass aus dem Wellenleiter 7 austretendes Licht nach einer Reflexion an dem Schwingarm 4 wieder in den Wellenleiter 7 eingekoppelt wird. Außerdem sind die beiden Wellenleiter 7 und 7' mittels eines Richtkopplers 11, der ein optisches Viertor bildet, optisch derart mit- einander gekoppelt, dass ein Übersprechen im evanes- zenten Feld der beiden Wellenleiter 7 und 7 ' möglich ist. Dazu laufen die Wellenleiter 7 und 71 im Bereich des Richtkopplers 11 in einem engen Abstand parallel nebeneinander, so dass sich in beiden Wellenleitern 7 und 7 ' korrelierte optische Schwingungen ausbilden können, wobei eine Größe eines im Richtkoppler 11 überkoppelnden Signals vom Schwingungszustand des Mikroresonators abhängt. Die Ursache dafür liegt in der Tatsache, dass eine optische Länge eines durch den Wellenleiter 7 gebildeten Messarm von einem Bewegungszustand oder Schwingungszustand des Schwingarms 4 abhängt. Die Auslesevorrichtung bildet einen optischen Interferometer, der neben dem genannten Messarm einen Referenzarm aufweist, der durch den Wellenlei- ter 7' gebildet wird. Dadurch kann eine Abtastung des Schwingungszustands des Mikroresonators mit der beschriebenen Auslesevorrichtung interferometrisch erfolgen. Anstelle der Laserdiode 8 könnte auch eine andere LED verwendet werden.
Der auf dem Substrat 1 gebildete Teil des beschriebenen Gassensors bildet eine planar- integrierte Optik, wobei insbesondere die Wellenleiter 7 und 7 ' in Einmodentechnik realisiert sind, also derart dimensio- niert sind, dass sich von der Laserdiode 8 eingekoppeltes Licht in den Wellenleitern 7 und 7 ' mit nur einer räumlichen Mode ausbreitet.
Um mit dem in Fig. 1 gezeigten Gassensor eine Zusam- mensetzung eines in der Umgebung des Mikroresonators befindlichen Gases zu analysieren, wird diese Umge- bung mit der Anregungslichtquelle 6 mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt, wobei dieses Licht jeweils durch Pulsen, Wellenlängen- oder Intensitätsmodulation mit der Resonanzfrequenz des mecha- nischen Mikroresonators moduliert wird. Wenn die Wellenlänge dieses Lichts einer Absorptionswellenlänge - eventuell einer subharmonischen oder höherharmonischen Anregungswellenlänge - des Gases entspricht, wird der Schwingarm 4 zum Schwingen angeregt, weil sich dann in der Umgebung des Schwingarms 4 ein sich mit der Resonanzfrequenz ändernder Druck einstellt. Der Schwingungszustand des Mikroresonators wird dabei in bereits beschriebener Weise mittels der Auslesevorrichtung detektiert, so dass eine Spektralanalyse des Gases ohne elektrische Leiter in der Umgebung des Gases erfolgen kann.
Auch die Laserdiode 8 und die Photodiode 9 der Auslesevorrichtung können auf dem Substrat 1 realisiert sein, also als Bestandteil der auf dem Substrat 1 gebildeten integrierten Optik. Anstelle des erwähnten Siliziumwafers kann bei alternativen Ausführungen auch ein anderes dielektrisches Material zur Bildung des Substrats 1 verwendet werden.
Eine andere Ausführung eines entsprechenden Gassensors ist in Fig. 2 dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind dabei, wie auch in den folgenden Figuren, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen, ohne noch einmal im Einzelnen erläutert zu werden. Der in Fig. 2 gezeigte Gassensor unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der mechanische Mikroresonator zwei stimmgabelartig gegeneinander schwingende Schwingarme 4 und 41 aufweist. Dabei sind die Schwingarme 4 und 4' wieder so dimensioniert, dass der Mikroresonator eine Resonanzfrequenz gleicher Größenordnung hat wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel . Der Lichtwellenleiter 5 der Anregungsvorrichtung ist in diesem Fall auf einen Spalt zwischen den beiden Schwingarmen 4 und 4' gerichtet, damit bei einem Betrieb der Anregungslichtquelle 6 in zuvor beschriebener Weise z.B. die Grundmode des Mikroresonators angeregt wird, in der die Schwingarme 4 und 4 ' gegeneinander schwingen. Statt der Grundmode kann in ent- sprechender Weise auch eine andere Mode des mechanischen Mikroresonators angeregt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ähnlichen Gas- sensors ist in Fig. 3 gezeigt. Auch hier weist der Mikroresonator des Gassensors zwei stimmgabelartig gegeneinander schwingende Schwingarme 4 und 41 auf, wobei die Auslesevorrichtung, abweichend von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, einen weiteren Wellenleiter 7" aufweist, der sich über die beiden Schwingarme 4 und 4' des Mikroresonators erstreckt und einen optischen Ringresonator bildet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schwingarme 4 und 4' dazu vollständig als Wellenleiter ausgebildet. Der durch den weiteren Wellenleiter 7" gebildete op- tische Ringresonator ist mittels eines zusätzlichen Richtkopplers 12 mit dem Wellenleiter 7 ' gekoppelt und bildet dadurch einen Teil der Auslesevorrichtung dieses Gassensors. Die Schwingarme 4 und 4' des Mikroresonators, der hier wie beim zuvor beschriebe- nen Ausführungsbeispiel zum Schwingen angeregt werden kann, enden in zwei einander parallel gegenüberliegenden Koppelflachen, so dass Licht zwischen den Enden der beiden Schwingarme 4 und 4' überkoppeln kann. Die Stärke der so zwischen den Enden der beiden Schwingarme 4 und 4' realisierten optischen Kopplung hängt dabei von einem aktuellen Abstand dieser beiden Enden ab und damit von einem Schwingungszustand des mechanischen Mikroresonators . Zusätzlich können die beiden Koppelflächen an den Enden der Schwingarme 4 und 4 ' teilreflektierend ausgeführt sein, so dass sie zwischen den beiden Schwingarmen 4 und 4 ' einen
Fabry-Perot-Resonator bilden, dessen Resonanzeigenschaften sich mit einer Bewegung der Schwingarme 4 und 4' ändern. Eine solche Änderung der Resonanzeigenschaften des genannten Fabry-Perot-Resonators kann wiederum optisch ausgelesen werden, um die mechanische Schwingung des Mikroresonators zu detektieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 erfolgt eine Anregung der Schwingung des als Mikroring ausgeführ- ten Mikroresonators mit den Schwingarmen 4 und 4 ' vorzugsweise wieder durch eine optische Pulsanregung, indem optische Pulse über den Lichtwellenleiter 5 mit einer Pulswiederholrate, die einer mechanischen Resonanzfrequenz des Mikroresonators entspricht, in den Spalt zwischen den beiden Schwingarmen 4 und 4' eingespeist werden. Diese Pulse bringen dort das zu de- tektierende Gas durch frequenzselektive Absorption zum Schwingen und führen zu einer hohen Resonanz - amplitude des Mikrorings . Eine damit verbundene Aus- lenkung der Schwingarme 4 und 4 ' des Mikroresonators wird hier über eine Verschiebung der so genannten free spectral ränge (FSR) oder allgemein über eine Veränderung der Resonanzeigenschaften des durch den Mikroresonator gebildeten integriert-optischen Ringresonators detektiert. Dadurch, dass der Wellenleiter 7 ' der durch einen Detektionswellenleiter- schaltkreis gebildeten Auslesevorrichtung d.urch den Richtkoppler 12 optisch an dem Mikroring angekoppelt ist, kann eine Resonanzfrequenzverschiebung des opti- sehen Ringresonators, die durch eine mechanische
Schwingung verursacht wird, als Amplitudenänderung detektiert werden. Dazu weist die Auslesevorrichtung im vorliegenden Fall außer der Laserdiode 8, die als Ausleselichtquelle fungiert, zwei Photodioden 9 und 9' sowie einen Spiegel 10 auf, die jeweils mit einem Ende eines der Wellenleiter 7 oder 71 verbunden sind. Dabei könnte auch eine der Photodioden 9 oder 9 ' durch ein weiteres reflektierendes Element ersetzt sein.
In den Ausführungsbeispielen aus den Fign. 1 bis 3 ist sowohl die AnregungsVorrichtung als auch die Auslesevorrichtung durch einen planaren integriert-optischen Wellenleiterschaltkreis gebildet, wobei die Wellenleiter 7 und 7 ' der Auslesevorrichtung einen Michelson-Interferometer-Aufbau zeigen. Dabei definieren die Wellenleiter 7 und 71 einen räumlich fixierten Detektionspfad, so dass keine Justage zwischen dem Mikroresonator und dem Detektionspfad erforderlich ist.
In Fig. 4 ist ein Mikroresonator mit zwei Schwingarmen 4 und 4' dargestellt, der in einem vergleichbaren Sensor verwendet werden kann. Dort ist veranschaulicht, wie eine mechanische Schwingung des Mikroreso- nators, bei dem die beiden Schwingarme 4 und 4' stimmgabelartig gegeneinander schwingen, optisch angeregt werden kann durch Einstrahlen von Licht aus zwei unterschiedlichen Richtungen 13 oder 13' in einen Zwischenraum zwischen Enden der beiden Schwingar- me 4 und 41. Fig. 5 veranschaulicht, wie dadurch bei einer geeigneten Wahl der Wellenlänge und einer PuIs- oder Modulationsfrequenz des zum Anregen verwendeten Lichts zwischen den Enden der Schwingarme 4 und 4 ■ Druckschwankungen erzeugt werden können, die den durch die Schwingarme 4 und 4' gebildeten Mikroresonator abhängig von den Absorptionseigenschaften des ihn umgebenden Gases zu einer mechanischen Schwingung anregen .
Fig. 6 veranschaulicht in entsprechender Darstellung eine alternative Anregung einer mechanischen Schwingung eines gleichartigen Mikroresonators, bei dem das Licht zum Anregen der Schwingung nicht zwischen den Enden der Schwingarme 4 und 4 ' eingestrahlt wird, sondern mittig in einen durch die Schwingarme 4 und 41 gebildeten Ring.
In Fig. 7 ist der Mikroresonator aus Fig. 4, der entweder vollständig oder in einer von mehreren Schichten als optischer Wellenleiter ausgeführt ist, noch einmal dargestellt. Zum Detektieren der mechanischen Schwingung des Mikroresonators wird von einer Ausleselichtquelle, die hier nicht dargestellt ist, Licht 14 in den Mikroresonator eingespeist, das an den Enden der Schwingarme 4 und 4 ' reflektiert wird und/oder zwischen den Enden der Schwingarme 4 und 4 ' überkoppeln kann, um für eine Detektion mit einem lichtempfindlichen Element - entsprechend der Photodiode 9 aus den Ausführungsbeispielen der Fign. 1 bis 3 - wieder ausgekoppelt zu werden. Eine Intensität des dazu ausgekoppelten Lichts 14' hängt dabei von einer Schwingung der Schwingarme 4 und 4 ' ab, durch die das austretende Licht 14' moduliert wird. Diese Modulierung kann sich ergeben durch eine Abschwächung der optischen Kopplung zwischen den Schwingarmen 4 und 4' mit größer werdendem Abstand zwischen den Enden dieser Schwingarme 4 und 4 ' und/oder durch eine dadurch verursachte Änderung von Resonanzeigenschaften eines zwischen den Enden der Schwingarme 4 und 4 ' gebildeten Fabry-Perot-Resonators .
In den Fign. 8 und 9 sind andere Ausführungen von Mikroresonatoren mit jeweils zwei Schwingarmen 4 und 41 dargestellt, die in ähnlichen Sensoren verwendet werden können, um optisch zu einer mechanischen Schwingung angeregt zu werden, die ebenfalls optisch detektiert wird. Ein weiterer Mikroresonator, der den Mikroresonator des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 ähnelt und nur einen Schwingarm 4 aufweist, ist in Fig. 10 dargestellt. Dort ist angedeutet, wie der Schwingarm 4 des Mikroresonators durch Bestrahlen mit Licht einer Anregungsquelle aus einer von zwei möglichen Richtungen 13 oder 13 ' zu einer optisch auszulesenden Schwingung angeregt werden kann, wenn dieses Licht mit einer Frequenz moduliert ist, die einer Resonanzfrequenz des Mikroresonators entspricht, und eine Wellenlänge hat, die einer Absorptionswellenlänge - eventuell auch einer subharmonischen oder höherharmonischen Anregungswellenlänge - eines in der Umgebung des Schwingarms 4 befindlichen Gases entspricht. In diesem Fall wird das Licht der Anregungs- quelle auf einen Raum zwischen dem Schwingarm 4 und einer benachbarten festen Wand 15 gerichtet. Um eine möglichst effektive opto-akustische Anregung des mechanischen Mikroresonators zu erreichen, kann ein Kopplungsbereich zwischen der Anregungsvorrichtung und dem Mikroresonator, der zwischen dem Schwingarm 4 und der Wand 15 gebildet wird, auch so ausgelegt sein, dass ein Anregungspuls durch Reflexion an spiegelnden Elementen wiederholt mit dem zu untersuchenden Gas wechselwirken kann.
Bei den hier vorgeschlagenen Sensoren wird eine Änderung optischer Eigenschaften der Auslesevorrichtung genutzt, um eine erzeugte Schwingung des Mikroresonators zu messen oder auszuwerten. Bei einigen der vor- geschlagenen Ausführungsformen sind dazu zumindest Teile des Mikroresonators, der ein mechanisch schwingfähiges System bildet, so ausgebildet, dass sie als optische Wellenleiter fungieren. Die vorgeschlagene optische Detektion der Schwingung des Mikroresonators kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen und unterschiedliche Effekte ausnutzen, insbesondere die Änderung eines zwischen Enden der Schwingarme 4 und 4' des jeweiligen Mikroresonators gebildeten Fabry-Perot-Resonators, eine Intensitätsänderung beim Überkoppeln von Licht zwischen diesen Enden und ein Übersprechen von Licht im evaneszenten Feld zwischen verschiedenen Wellenleitern 7, 71 und 7". Die Detektion der mechanischen Schwingung kann dabei insbesondere durch ein interferometrisches Auslesen erfolgen.
Die vorgeschlagenen Sensoren sind in integriert -optischer Bauform gehalten, beispielsweise auf Basis von Silizium, was eine Miniaturisierung der Sensoren zu chipbasierten Systemen ermöglicht. Durch die vor- geschlagene Form der Mikroresonatoren ergibt sich eine hohe Güte der durch sie gebildeten Oszillatoren und damit eine hohe Nachweisempfindlichkeit . Dadurch, dass der jeweilige Schwingungszustand des Mikroresonators optisch abgefragt wird, kann eine Entkopplung des Sensors von gegebenenfalls ebenfalls vorhandenen elektronischen Komponenten erreicht werden. Der Aufbau auf einem gemeinsamen Substrat 1 hat zur Folge, dass sich eine aufwendige Justage in einem Sensorkopf, der das Substrat 1 und die darauf angeordneten Komponenten enthält, erübrigt.
Eine Miniaturisierung der vorgeschlagenen Sensoren wird durch deren integriert optische Bauform in Planartechnik möglich. Eine kostengünstige Massenferti- gung kann durch eine Ganz-Wafer-Technik realisiert werden. Die zum Auslesen der Schwingung vorgesehene optische Detektion kann eine Amplitude einer Auslenkung des mechanischen Mikroresonators mit einer Submikrometer- Auflösung feststellen. Dabei wird zur Detektion der
Schwindung vorzugsweise kohärente Laserstrahlung verwendet, bevorzugterweise in Form von Einmoden-Laser- signalen. Durch Verwendung einer Amplituden- oder Phasenmodulationsdetektion kann dabei die höchste physikalisch mögliche Auflösung erreicht werden.
Bei den vorgeschlagenen Sensoren erfolgt die Anregung einer mechanischen Schwingung des jeweiligen Mikroresonators optisch oder akusto-optisch, wobei die so erzeugte Schwingung über eine schwingungsinduzierte Änderung einer Lichtintensität, Wellenlänge oder einer Phase eines Probelichtstrahls ausgelesen wird, insbesondere unter Verwendung einer evaneszenten Wechselwirkung elektromagnetischer Felder, optischer Modenkopplungen oder von Beugungseffekten.
Eine weitere mögliche Ausführungsform sieht eine optische Kopplung von zwei oder mehreren schwingenden Nanodrähten als Mikroresonatoren vor. Dabei ist das gesamte Sensorelement vollständig Faser- oder Wellenleiter-gekoppelt. Der Sensor kann vollständig als integriert-optisches Element ausgeführt sein oder auch in einer Hybridanordnung, in der nur ein Teil des Sensors eine planar- integrierte Optik bildet.
Ein Sensor vorgeschlagener Art ist als Einzelausführung oder auch als Lichtleiter-gekoppeltes Sensorsystem-Netzwerk denkbar, in dem einzelne Sensoren durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen gekennzeichnet sind und/oder in dem einzelne Sensorelemente durch individuelle Auslesewellenlängen oder Modulationsfre- quenzen eines Probelichtstrahls ausgelesen werden.
Der zum Auslesen der mechanischen Schwingung verwendete Probelichtstrahl oder Auslesestrahl - geführt durch den Lichtwellenleiter 5 - kann durch eine spektral schmalbandige oder, insbesondere im Fall von Sensornetzwerken, auch durch eine spektral breitban- dige Lichtquelle erzeugt werden. Die in dem Sensor verwendeten optischen Wellenleiter können aus mono- kristallinem Halbleitermaterial oder einem anderen dielektrischen Material hergestellt sein. Typisch ist eine planare Realisierung des Sensors in SOI-Techno- logie, bei der die Oxidschicht in einer Umgebung des Mikroresonators freigeätzt ist. Die vorzugsweise op- tisch einmodigen Wellenleiter können als Rippenwellenleiter oder als rib-loaded Schichtwellenleiter ausgebildet sein. Der Lichtwellenleiter, der die Anregungslichtwelle mit der Umgebung des Mikroresonators verbindet, kann als io-Wellenleiter ausgeführt sein. Dabei ist es auch denkbar, dass die Anregungs- pulse und die Abtastsignale in einem einzigen Wellenleiter geführt werden. Schließlich kann auch ein zum Anregen verwendetes Lichtsignal gleichzeitig zur Auslesung eines aktuellen Schwingungszustands des Mikro- resonators verwendet werden. Der aktuelle Schwingungszustand des Mikroresonators kann abgetastet werden, indem ein am Mikroresonator reflektierter Strahl mittels eine io-Michelson-Interferometers oder eines io-Young-Interferometers erfolgt, wobei der die Aus- lesevorrichtung bildende Wellenleiterschaltkreis vorzugsweise in Einmodentechnik realisiert ist. Der Lichtwellenleiter der Anregungsvorrichtung kann durchaus mehrmodig sein.
An Ein- oder Austrittsfacetten können die verwendeten optischen Wellenleiter jeweils in der Breite aufgeta- pert sein. Der mechanische Mikroresonator kann schließlich in einen geeigneten Gasresonator oder zwischen geeignete Gasreflektoren so eingebracht sein, dass eine von der Anregungslichtquelle eingebrachte Anregungsenergie möglichst effektiv in eine Schwingungsenergie umgewandelt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor mit einem mechanischen Mikroresonator, der eine Anregungsvorrichtung zum optischen Anregen einer mechanischen Schwingung des Mikrore- sonators sowie eine Auslesevorrichtung zum De- tektieren der Schwingung des Mikroresonators aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesevorrichtung einen zusammen mit dem Mikroresonator auf einem dielektrischen oder halbleitenden Substrat (1) realisierten Wellenleiter (7, 7', 7'') zum optischen Auslesen der Schwingung des Mikroresonators umfasst, wobei die Anregungsvorrichtung einen auf demselben Substrat (1) realisierten Lichtwellenleiter (5) aufweist, der eine Anregungslichtquelle (6) optisch mit einer unmittelbaren Umgebung des Mikroresonators verbindet .
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) durch einen Halblei - terwafer oder einen Teil eines Halbleiterwafers gebildet ist.
3. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus Silizium gebildet ist oder eine Siliziumschicht umfasst.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroresonator und/oder der Lichtwellenleiter (5) der Anre- gungsvorrichtung und/oder der Wellenleiter (7, 7', 7'') der Auslesevorrichtung in oder auf einer Halbleiterschicht realisiert sind, die durch eine stellenweise entfernte Sperrschicht (2) von dem Substrat (1) getrennt ist.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsvorrichtung eine als Anregungslichtquelle (6) dienende Licht-emittierende Diode umfasst.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die AnregungsIientquelle (6) gepulst oder wellenlängenmoduliert oder intensitätsmoduliert betreibbar ist mit einer Puls- oder Modulationsfrequenz, die einer Resonanzfrequenz des Mikroresonators entspricht.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslicht - quelle (6) eingerichtet ist zum Ausstrahlen von Licht durchstimmbarer Wellenlänge.
8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroresonator einen oder zwei Schwingarme (4, 4') aufweist.
9. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wellenleiter oder ein weite- rer Wellenleiter (7'') der Auslesevorrichtung über den Schwingarm oder mindestens einen der Schwingarme (4, 4') des Mikroresonators erstreckt .
10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- durch gekennzeichnet, dass sich der Wellenleiter oder ein weiterer Wellenleiter (7') der Auslesevorrichtung so über einen ersten Schwingarm (4) und einen zweiten Schwingarm (4') des Mikroreso- nators erstreckt, dass ein Überkoppeln von Licht von einem Ende des ersten Schwingarms (4) zu einem Ende des zweiten Schwingarms (4') möglich ist.
11. Gassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der beiden Schwingarme (4, 4') parallele teilreflektierende Flächen aufweisen, die einen Fabry-Perot-Resonator zwischen den beiden Schwingarmen (4, 4') bilden.
12. Gassensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erstgenannte Wellenleiter (7, 7') der Auslesevorrichtung optisch mit dem sich über die schwingfähigen Schwingarme erstreckenden Wellenleiter (7'') gekoppelt ist.
13. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) der Auslesevorrichtung so an den schwingfähigen Schwingarm (4) oder an mindestens einen der Schwingarme (4, 4') des Mikroresonators herangeführt ist, dass aus diesem Wellenleiter (7) austretendes Licht nach einer Reflexion an dem Schwingarm (4) des Mikroresonators wieder in den Wellenleiter (7) ein- koppelbar ist.
14. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslesevorrichtung mindestens zwei auf dem gemeinsamen Substrat (1) realisierte Wellenleiter (7, 7') um- fasst, die optisch miteinander gekoppelt sind, wobei einer der Wellenleiter (7, 7') optisch mit dem mechanischen Mikroresonator gekoppelt ist, wobei an einem Ende eines der Wellenleiter (7, 7') eine Ausleselichtquelle angeordnet ist und wobei an einem anderen Ende eines dieser Wellenleiter (7, T) ein lichtempfindliches Element angeordnet ist.
15. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Analysieren einer Gaszusammensetzung, bei der in der Umgebung des Mikrore- sonators befindliches Gas mit Licht der Anregungslichtquelle (6) so bestahlt wird, dass der Mikroresonator in einen Schwingungszustand versetzt wird, wenn eine Wellenlänge dieses Lichts einer Absorptionswellenlänge des Gases entspricht, wobei der Schwingungszustand mittels der Auslesevorrichtung detektiert wird.
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