Vågledarintegrerade grafenbaserade IR-detektorer för optiska gassensorchip (demonstrator)

Syfte och mål

Målet med detta projekt var att ta fram vågledarintegrerade detektorer för mid-infrarött ljus, baserade på fristående grafenmembran för gassensorer från prototyp till demonstrator.

Planerat genomförande

1) Demonstrera grafenbaserad detektor för infrarött ljus.
2) Karakterisera korskänslighet för exponering av gaser.
3) Överföra kunskap.
4) Bedöma kommersiell potential.

Projektet skulle ta fram en demonstrator av en grafenbaserad mid-infrarött ljus detektor, vågledarintegrerad på silikon genom att använda en lågkostnadsprocess. Teknologin med integrerade fotoniska kretsar lämpar sig väl för automatiserad högvolymtillverkning.

Förväntade effekter och resultat

Projektet planerade att åtgärda bristen på mid-IR detektorer, som kan integreras med kiselbaserade fotoniska vågledarkretsar i kompakta sensorchip med hjälp av automatiserad högvolymtillverkning. Tänkbara framtida användningsområden för multigassensorer är smarta mobiler och smarta assesoarer. För att möta utmaningen har vi samlat ett team i världsklass, med experterna på gassensorer från SenseAir och experter på kiselfotonik, grafen, och 3D-integration på avdelningarna för Micro- och Nanosystem och Integrerade komponenter och kretsar på KTH.

Resultat

  • Optisk MEMS-teknologi (Micro Electro-Mechanical Systems), med etsade vågledare på chip är ett hett forskningsområde och en möjlig banbrytande teknik för miniatyrisering av optiska gassensorer.Inom projektet har vi framgångsrikt utvecklat processteknik som gör det möjligt att överföra kommersiellt tillgängligt grafen till chip med vågledare för detektion av infrarött ljus i MID-IR-området. Projektet har demonstrerat och verifierat att tekniken fungerar i labb-skala. Forskarna på KTH har genererat ett patent som idag förvaltas av Senseair. Projektet har resulterat i utökade samarbeten och två beviljade EU-projekt för fortsatt forskning.
  • Vi vet idag att det är tekniskt möjligt att integrera fungerande grafenstrukturer direkt på vågledarchip.
  • Vi ser att möjligheten till integration av grafen är god, däremot är metoderna och tillgängligt grafenmaterial ännu inte tillräckligt utvecklade för kommersiell produktion.
  • Grafen är fortsatt en möjliggörare för framtida chip-baserade gassensorer inom ett perspektiv på ca 5 år.
  • I kölvattnet av projektet har vi knutit ett rikt och komplett nätverk inom Europa för komponentdesign, modellering, tillverkning och integration av grafen.
Abstract in English

Waveguide-Integrated Graphene Based mid- Infrared Detectors for Optical Gas Sensor Chips

The aim of the project was to take the concept of a waveguide-integrated mid-infrared (mid-IR) detector, based on suspended graphene membranes, from prototype to demonstrator. Project partners are experts at carbon dioxide (CO2) gas sensor developer SenseAir and KTH Royal Institute of Technology (Dept. of Micro and Nanosystems and Dept. of Integrated Devices and Circuits).

Results

Optical MEMS technology (Micro Electro-Mechanical Systems), with etched waveguides on chip, is a hot research area and a potential pioneering technique for miniaturizing optical gas sensors.

Within the project, we have successfully developed process technology that makes it possible to transfer commercially available graphene to chip with waveguides for infrared light detection in the MID-IR area. The project has demonstrated and verified that the technology works on a lab scale. The researchers at KTH have generated a patent that today is managed by Senseair. The project has resulted in extended collaborations and two granted EU projects for further research.

We know today that it is technically possible to integrate working graphene structures directly on waveguide chips. We see that the possibility of integration of graphene is good, however, the methods and available graphene material are not yet sufficiently developed for commercial production. Graphene remains an enabler for future chip-based gas sensors within a perspective of about 5 years. In the wake of the project, we have established a rich and complete network within Europe for component design, modeling, manufacturing and integration of graphene. The aim is to fill the current technology gap for mid-IR detectors that can be integrated with silicon photonic waveguide circuits in compact non-dispersive IR gas sensor chips, using processes compatible with semiconductor manufacturing. Possible markets for multigassensors are smartphone and the emerging smart-accessories market. The photonic device technology with integrated graphene parts developed in this project is well suited for automated high volume production.

Finally, knowledge transfer is in focus in the project, which will also seek synergies with new and existing partners, and share best practices of elaborating a successful innovation value-chain.

Utlysning:
Förstudieprojekt och Forsknings- och Innovationsprojekt våren 2016

Projektpartners: SenseAir AB, Kungliga Tekniska högskolan (KTH)

Projektledare: Henrik Rödjegård

Bidrag: 1 903 307 kr

Projektets löptid: 2016-2017

Relaterade projekt:
Vågledarintegrerade grafenbaserade IR-detektorer för optiska gassensorchip

Relaterade styrkeområden: