Kompakte Abfrageeinheit auf Basis einer Doppelphotodiode für die spektraloptische Sensorik

Spektraloptische Sensoren erfassen physikalische als auch (bio-)chemische Messgrößen hochempfindlich und robust auf Grundlage von definierten spektralen Eigenschaftsänderungen – Wellenlängenverschiebung oder Änderung des Intensitätsverhältnisses zweier Spektrallinien – des Messwandlers. Die aufwändige Spektrenaufnahme des Sensorsignals mittels voluminösen Spektrometern oder durchstimmbaren Laser und die sich daraus ergebende komplexe Signalauswertung schränkt jedoch derzeit ihre industriellen Einsatzmöglichkeiten erheblich ein.
In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige, miniaturisierte Auswerteeinheit mit einer Doppelphotodiode vorgestellt, die durch ihren Stapelaufbau aus zwei unterschiedlich spektralempfindlichen Photodiodenschichten gleichzeitig spektralselektives Element und Detektor ist. Statt wie bisher die spektrale Information aus einem Spektrum zu extrahieren, wird der Schwerpunkt der spektralen Gesamtverteilung anhand des gemessenen Verhältnisses der beiden wellenlängenabhängigen Photoströme echtzeitfähig ausgewertet. Der Ansatz vereinigt die Einfachheit einer intensitätsbasierten Messung mit der Robustheit einer spektralen Auswertung, wodurch sich völlig neue Systemkonzepte für die spektraloptische Sensorik eröffnen. Die Leistungsfähigkeit der onlinefähigen Signalauswertung mittels der Doppelphotodiode wird an einer brechzahlsensitiven nanoplasmonischen Goldschicht sowie dem thermometrischen Leuchtstoffes NaYF4: Yb3+, Er3+ demonstriert.