Micro Tunable Infrared Spektrometer

In the MicroTUNIS project, 4 Norwegian companies collaborate with SINTEF in order to make the next generation miniaturized spectrometers. These are based on an adjustable optical nanofilter produced in the micro- and nanotechnology lab of SINTEF (MiNaLab). The filter can be programmed for use in various applications. Tomra will make new systems for recycling, Prediktor for the food industry, and Nyborg for ventilation on demand. The company Firmware Design is responsible for the design of the filter control electronics. During 2014 and 2015 the first version of the optical filters and electronics designed and fabricated. Tunability of the filter together with position measurements using integrated capacitive sensors was demonstrated. This makes it possible to adjust the wavelength of the light that is transmitted by the filter without the hysteresis commonly encountered in piezoelectric actuators. A demonstrator was made and displayed at the Cutting Edge festival in the Research Park in October 2015. With this system, a plastic bottle can be inserted and the material type is determined. A demonstrator for gas measurements was also made, where the spectrometer can recognize various hydrocarbons (methane, butane, etc.). The second version of the optical filters was designed and fabricated during 2016 and first half of 2017. These filters are passivated with a thin layer of alumina deposited by atomic layer deposition (ALD) that protects sensitive parts of the filter from humidity and thereby significantly increasing operational lifetime. The filters also have improved mirrors and anti-reflective coatings. The micro spectrometers have been tested by some of the companies with new control logic where filter gap and thereby wavelength is stabilized with nanometer precision locally on the controller card. The controller card uses standard protocols for communication and makes it possible to control the spectrometers without the need for expensive electronics and complex control algorithms. The micro spectrometer opens new possibilities for the industrial partners in this project and has also contributed to the establishment of a company that uses the technology for gas detection. In the case of Tomra, the micro spectrometer can make it possible to distinguish and recycle more materials and with a simpler measurement system than the existing solutions. In the case of Prediktor, the micro spectrometer could make it possible to replace existing spectrometers that are more than ten times as expensive. In the case of Nyborg, the technology is planned to make systems that controls air quality in tunnels and within maritime sector. The sensor for Nyborgs systems will be developed by Tunable Infrared Technologies, a newly established company that utilizes the technology developed within this project to create a small sensor that is able to measure multiple gases simultaneously.

Målet med prosjektet MicroTUNIS er å utvikle et avstembart filter for spektroskopi basert på ny PiezoMEMS nano-teknologi som skal utvikles ved SINTEF. Filteret vil være elektronisk avstembart, og skal kunne skannes over et bredt bølgelengdeområde med sub- millisekund responstid. Det skal monteres sammen med detektor og styringselektronikk til et ultrakompakt system som vil være generisk, og skal kunne programmeres til å måle konsentrasjon og sammensetning av ulike blandinger av gasser, væsker eller faste s toffer. I prosjektet skal det forskes på å deponere nano-materialet PZT (lead-zirconate-titanate) ved hjelp av to teknikker. Chemical-solution-deposition (CSD) er en metode utviklet ved SINTEF som skal videreutvikles i prosjektet for å oppnå bedre mater ialegenskaper. I tillegg skal det forskes på en helt ny metode, pulsed-laser-deposition (PLD), der SINTEF har investert i verdens første anlegg for deponering på hele skiver. Et viktig materiale som skal utprøves for første gang er LNO (lantan-nikkel-oksi d) som skal integreres i aktuatorstrukturen for å øke levetiden. Passivering av strukturene for å hindre at fukt forringer egenskapene er et annet viktig tema. Her skal det forskes på bruk av ALD (atomic-layer-deposition) av ulike materialer i et nytt anl egg tilgjengelig gjennom NORFAB-samarbeidet. Prosesser for heterogen integrasjon skal utvikles for fremstilling av det avstembare filteret med høy kvalitet og yield. Filteret skal testes i systemer som bidrar til redusert miljø- og klimapåvirkning. Tomra skal bruke filteret i nye typer systemer for resirkulering. Prediktor skal lage systemer for mer effektiv ressursutnyttelse i fôr og næringsmiddelindustrien. Nyborg skal bruke filteret i gass-sensorer for behovsstyrt ventilasjon på skip for økt HMS og la vere drivstoff-forbruk, og dermed reduksjon i utslipp av klimagasser. Verdiskapingspotensialet er stort, og bedriftene har konkrete planer for realisering i etterkant av prosjektet.