Onderzoek, ontwikkeling en innovatie

Nieuwe minisensor maakt het onzichtbare zichtbaar

Een TU/e-onderzoeksgroep heeft een nieuwe nabij-infraroodsensor ontwikkeld die eenvoudig te maken is, qua grootte vergelijkbaar is met sensoren in smartphones, en klaar is om direct in te zetten in industriële procesbewaking en landbouw.

MantiSpectra.

Deze doorbraak is gepubliceerd in Nature Communications . Co-eerste auteur Kaylee Hakkel verdedigt op 14 januari haar proefschrift.

Het menselijk oog is een wonderbaarlijke sensor. Met behulp van drie fotoreceptorcellen die zichtbaar licht omzetten in signalen voor verschillende kleuren, geeft het oog essentiële informatie over de wereld om ons heen.

“Wanneer onze hersenen de signalen samenvoegen, doen ze een voorspelling over wat de signalen betekenen op basis van onze ervaringen. Bijvoorbeeld, een rode aardbei is zoet, maar een groene niet”, legt Kaylee Hakkel uit. Hakkel is PhD onderzoeker in de onderzoeksgroep Photonics and Semiconductor Nanophysics bij de faculteit Applied Physics, en co-eerste auteur van het onderzoek.

Grootte doet ertoeBidsprinkhaankreeft (Bron: Shutterstock).
Hoewel het menselijk oog indrukwekkend is, is het bij lange na niet de meest geavanceerde natuurlijke lichtsensor die er is. “De ogen van de bidsprinkhaankreeft hebben 16 verschillende cellen, die gevoelig zijn voor ultraviolet licht, zichtbaar licht en nabij-infrarood (NIR) licht”, zegt Hakkel. “Het meten van het spectrum in het infrarood is het meest interessant voor toepassingen in de industrie en de landbouw, maar er is één groot probleem – de huidige nabij-infrarood spectrometers zijn gewoon te groot en te duur.”

Hakkel en haar medewerkers hebben dit probleem opgelost door een nabij-infraroodsensor te ontwikkelen die op een kleine chip past. Net als het oog van de bidsprinkhaankreeft heeft het 16 verschillende sensoren – maar ze zijn allemaal gevoelig voor nabij-infrarood licht. “Het was een grote uitdaging om de sensoren te verkleinen en tegelijk de kosten laag te houden. Om dit te bereiken hebben we daarom een nieuw fabricageproces ontworpen op wafergrootte.”

“Het is goedkoop omdat we meerdere sensoren tegelijk kunnen produceren. Het is nu direct klaar voor gebruik in praktische toepassingen in de echte wereld”, voegt Hakkel toe. “De sensorchip is klein en zou zelfs ingebouwd kunnen worden in toekomstige smartphones.”

Een oplossing voor speciaal meten
Andrea Fiore, onderzoeksleider van de faculteit Applied Physics en het Eindhoven Hendrik Casimir Institute, is verheugd over het werk van hun onderzoeksteam. “We zijn al een aantal jaren bezig met het onderzoeken van deze technologie. En nu zijn we erin geslaagd de spectrale sensoren op een chip te integreren, terwijl we ook een ander belangrijk punt hebben aangepakt: efficiënt gebruik van de gegevens.”

Dwarsdoorsnede van de sensor (Kaylee Hakkel).

Wanneer een sensor licht meet, wordt het opgewekte signaal gewoonlijk gebruikt om het optische spectrum – of de optische vingerafdruk – van het materiaal te reconstrueren. Vervolgens worden algoritmen gebruikt om de gegevens te analyseren.

In deze nieuwe aanpak tonen de onderzoekers aan dat de stap van spectrale reconstructie niet nodig is. Met andere woorden, de signalen die door de sensoren worden gegenereerd, kunnen rechtstreeks naar de analyse-algoritmen worden gestuurd. “Dit vereenvoudigt de ontwerpeisen voor het apparaat aanzienlijk”, merkt Fiore op.

Analyseren van melk en kunstoffen
Met de sensor in de hand hebben de onderzoekers vervolgens de sensor getest in een aantal experimenten. Co-eerste auteur Maurangelo Petruzzella, die ook werkzaam is bij het startup bedrijf MantiSpectra, legt uit: “We gebruikten de sensor om de voedingseigenschappen van allerlei materialen te meten, waaronder melk. Onze sensor gaf een vergelijkbare nauwkeurigheid bij de voorspelling van het vetgehalte in melk als conventionele spectrometers. En vervolgens gebruikten we de sensor om verschillende soorten plastic te classificeren.”

De voedingseigenschappen van melk zijn bepalend voor de economische waarde ervan, en het is bewezen dat de sensor deze eigenschappen nauwkeurig kan meten. Bovendien kunnen deze metingen worden gebruikt om de algemene gezondheid van de koe te controleren. De sensor kan ook gebruikt worden om soorten plastic te classificeren, en zo helpen om afvalsorteerprocessen te optimaliseren.

“Naast deze toepassingen verwachten we dat de sensor kan worden gebruikt voor gepersonaliseerde gezondheidszorg, precisielandbouw (bijvoorbeeld het monitoren van de rijpheid van fruit en groente), procescontrole en lab-on-chip testen. We hebben nu een volledige ontwikkelingskit beschikbaar op basis van deze technologie: de SpectraPodTM . Bedrijven en onderzoeksinstellingen gebruiken die om hun toepassingen te bouwen. En het mooie is dat deze sensor zelfs gangbaar zou kunnen worden in de smartphones van de toekomst. Dat zou betekenen dat mensen hem thuis kunnen gebruiken om de kwaliteit van hun voedsel te controleren, of bepaalde aspecten van hun gezondheid te controleren”, voegt Petruzzella eraan toe.

Mantispecta toekomst
En het begint nu pas spannend te worden voor Hakkel, die op 14 januari haar proefschrift verdedigt aan de TU/e. Daarna gaat ze samen met Petruzzella aan de slag bij het startup-bedrijf MantiSpectra, waar ze zich zullen inzetten om de sensor verder te ontwikkelen voor meer praktische toepassingen. “Ik ben erg enthousiast om samen met MantiSpectra aan de volgende fase van de ontwikkeling van de sensor te beginnen. Deze sensor zou kunnen bijdragen aan een schoner milieu en het aanpakken van voedselverspilling: toepassingen die voor iedereen belangrijk zijn.”


Meer nieuws over Onderzoek, ontwikkeling en innovatie