Hydrogen gas sensor based on a polymer optical microdisk resonator

Abstract

Hidrojen gazının erk verimi kayayağından fazla olduğundan ve yanmasından sonra ortaya çıkan yan ürünlerinin zehirli olmamasından dolayı hidrojen gazı ilgi çekici bir erk kaynağı olmaya başlamıştır. Ancak hidrojen gazının asgari yanma sınırı hacimce %4?tür ve molekül hacmi küçük olduğundan saklanması zordur. Bu nedenle çok küçük hidrojen sızıntıları bile can ve mal güvenliği açısından çekince oluşturmaktadır. Bu yüzden düşük yoğunluklardaki hidrojen gazının seçici bir şekilde algılanması gerekmektedir. Bu çalışmada mor ötesi fotolitografisi ile üretilen polimerden yapılmış optik mikrodisk çınlaç tabanlı hidrojen gazı algılayıcısı tasarlanmıştır. Hidrojen gazının ortama verilmesiyle çınlaçların hacminin artması ve optik fısıldayan geçit kiplerinin (FGK) kayması, algılama yönteminin temelini oluşturmaktadır. Çınlaç hacminin artması, rezonatör üzerine paladyum kaplanarak sağlanmaktadır. 5 ?m ısıl oksit tabakası olan silicon alttaş üzerine SU?8 fotorezisti kullanılarak mikrodisk ve dalga kılavuzu yapıları üretilmiştir. Dalgaboyu ayarlanabilir lazerden gelen lazer ışığı fiber ile dalga kılavuzunun uçları karşı karşıya getirilmek suretiyle dalga kılavuzuna aktarılmıştır. Lazerin dalgaboyu değiştirilirken dalga kılavuzundan iletilen lazer ışığının gücü ölçülerek FGK?ların ortaya çıkması sağlanmıştır. 200 ?m çapındaki diskler için en yüksek nitelik katsayısı 1400 olarak ölçülmüştür. Mikro yapıların üzerine aşındırma yöntemi kullanarak paladyum kaplaması yapılmıştır. Şimdiki deneylerde bu yapıların hidrojen gazı duyarlılığı ölçülmektedir. Bu yapılar kullanılarak milyonda 1000?den daha az yoğunlukların algılanabileceği öngörülmektedir. Mor ötesi fotolitografi üretimi denemelerine koşut olarak iki foton ile polimerleştirme yöntemi kullanılarak da mikrodisk ve mikrohalka üretimi yapılmıştır. Bu yapılardan elde edilen en yüksek nitelik katsayısı 120 olarak ölçülmüştür. Bu düşük nitelik katsayısı yapıların yarıçaplarının çok küçük olmasına bağlanmaktadır.

Hydrogen gas is an attractive energy source since its energy conversion efficiency is higher than conventional oil and its side products after combustion are non?toxic. However, it has a very small lower flammable limit (4% by volume) and its storage is difficult because of small molecular volume. Therefore even low concentration leakages become very dangerous to the public health and the safety of property. Hence, selective detection of small concentrations of hydrogen gas is required. In this work, we propose a hydrogen sensor based on polymer optical microdisk resonators fabricated using UV photolithography. The sensing mechanism relies on the shift of optical whispering gallery modes (WGMs) due to the size change of the resonator in the presence of hydrogen gas. The size change is induced by volume expansion of palladium layer coated on the microdisk resonator. We fabricated microdisk structures together with optical waveguides using SU?8 photoresist on Si substrates possessing a 5 ?m?thick thermal oxide. A tunable laser was coupled into the waveguides using end?face coupling. When laser transmission was measured as a function of wavelength, transmission dips were observed revealing the WGMs. A maximum quality factor (Q?factor) of 2000 was measured for the observed WGMs of 200 ?m?diameter microdisks. Palladium layer was coated on the fabricated microstructures using lift?off technique. Experiments are now underway for characterizing hydrogen gas sensitivity of these structures. Our estimates reveal sensitivities better than 1000 ppm for the fabricated structures. In parallel to these efforts using microdisks fabricated by UV photolithography, two-photon polymerization was employed for fabricating microdisks and microrings. For these structures, maximum Q?factors of around 120 were measured. Relatively low Q?factors were attributed to small diameters (30 ?m) of these structures.