Een teragoed alternatief voor vervaldata?

De discussie rond vervaldata (THT en TGT) woedt immers al een hele tijd, vooral omwille van de impact van de vervaldata op de voedselverspilling. Vervaldata zijn dan ook moeilijk in te schatten, en bovendien afhankelijk van de omstandigheden waarin de producten vervoerd en bewaard worden.

Real time opvolging van de kwaliteit van het voedsel binnenin een verpakking is nog steeds een enigszins vergezochte droom, maar het zou tot een aanzienlijke daling van de voedselverspilling kunnen leiden en daarom niet alleen een economische, maar ook een ecologische doorbraak betekenen.

Deze droom begint stilaan uit te komen, met een nieuw systeem dat slechts enkele millimeters groot is, ontwikkeld in het TERAFOOD project (https://terafood.iemn.fr/). Het systeem maakt gebruik van licht van TeraHerz (THz) frequenties om vluchtige componenten binnenin de voedselverpakkingen in real time te monitoren.

Het voordeel van THz frequenties is dat ze doorheen de meeste verpakkingsmaterialen gaan, maar wel in staat zijn te interageren met de volatiele componenten (VOC’s) binnenin de verpakking. Die VOC’s ontstaan onder andere tijdens voedselverderf. De THz voedingssensor gebruikt een zogenoemde fotoakoestische techniek die een THz signaal omzet in een makkelijker detecteerbaar akoestisch signaal (geluid).

Wat in dit TERAFOOD project uniek is, is de schaal waarop de sensor kan geproduceerd worden. Door gebruik te maken van een Silicium-gebaseerde chipschaal technologie is het niet alleen mogelijk om een bijzonder compacte chip te produceren, maar is ook een geparallelliseerde massaproductie mogelijk waardoor de kosten gereduceerd kunnen worden. Nadeel van deze Silicium-gebaseerde chip is dat dit eigenlijk neerkomt op een klein glasdeeltje, en dat het momenteel niet toegelaten is om kleine glasdeeltjes in voedingsverpakking te verwerken. Veelbelovend dus, maar nog niet voor morgen.

Wie meer wil weten over het potentieel van de TeraHerz sensor en andere types sensoren die niet-destructieve metingen kunnen doen in verpakte producten, kan nog steeds inschrijven voor het ‘Hallo Technologie’ event ‘TeraHerz voor dummies’ op 31 januari in Zwijnaarde.  

Hoe werkt de sensor? 

In de TERAFOOD sensor wordt gebruik gemaakt van een drievoudig resonantiemechanisme (patent aangevraagd) om de gemeten signalen te versterken. Een belangrijke eerste stap naar zo’n geïntegreerde sensor is de realisatie van een Si-golvengids om de verspreiding van het licht op de chip te controleren op frequenties die de absorptielijnen van typische bederfgassen (ammoniak, waterstofsulfide, ethanol) omvatten.

De gekozen dimensies voor deze golvengids houden het licht vast en begeleiden het tussen 500 GHz en 3 THz, een frequentiebereik dat veel spectrale lijnen van deze VOC’s bevat. Om dit licht efficiënt binnen de siliciumlaag te begeleiden werd een “zwevende” straal van slechts enkele honderden van een mm² ontwikkeld door middel van geavanceerde clean room technieken die gebruikt werden door de ingenieurs bij Vmicro, het start-up bedrijf dat ook partner is in het TERAFOOD consortium.

De uitdaging hier was om de “zwevende” Si-stralen op µm-schaal te ontwikkelen met een totale lengte tot enkele centimeters. Bovendien hebben de ingenieurs van Vmicro het etsproces geoptimaliseerd dat het mogelijk maakt om in die zwevende stralen een patroon van circulaire gaten te maken met elk een diameter van enkele honderden van een mm (gekend als fotonische kristallen). Zo kan het te detecteren gas efficiënt vastgelegd en gedetecteerd worden én kan het geleide THz licht sterk met de VOC’s interageren. Dit gatenpatroon doet eveneens dienst als artificiële spiegels die het licht lang genoeg vasthouden in dat deel van de Si-golvengids waar de gassen worden vastgelegd. De afbeeldingen hieronder illustreren de schaal, dimensies en technologische processen van de gemaakte teststructuren.

Om te valideren dat het mogelijk is om het licht in de chip te controleren en te geleiden, hebben we een kanaal gemaakt dat 90° gebogen is zoals afgebeeld op Figuur 2 hieronder. Er kan zo enkel een signaal gemeten worden op de detector als het zwevende Si-kanaal echt THz licht geleidt. De finale verpakkingssensor zal allicht niet zulke boog bevatten en bovendien zal het THz licht in de geleidende structuur allicht op andere manieren gekoppeld worden dan deze getoond in Figuur 1.

De experimentele opzet die hier getoond wordt is voornamelijk bedoeld om een het bewijs te demonstreren dat THz licht echt gevat en geleid kan worden op een sub-mm geïntegreerde Si-chip. De technieken die voor deze demonstratie gebruikt worden zijn momenteel hoogtechnologische labo-instrumenten.

Figuur 3 toont een typisch gemeten output signaal van het experiment hierboven. Als een functie van frequentie geven de rode en blauwe curves het licht weer dat respectievelijk gereflecteerd en doorgelaten wordt door de golvengids. Het is duidelijk dat door de specifiek gekozen dimensies van het gatenpatroon/spiegels een THz signaal dichtbij de beoogde frequentie van 635.5 GHz – overeenstemmend met een sterke absorptielijn van ethanol – erg selectief gevat en geleid wordt door de zwevende Si-straal. Dit toont aan dat het licht gevangen werd op de resonantiefrequentie die correspondeert met het te detecteren gas en dat er reflectie optreedt bij de andere frequenties.

Met dit experiment werd een essentiële bouwsteen van de TERAFOOD sensor gevalideerd. Het volgende technologische aspect zal zich concentreren op de combinatie van zulke golfgidsen met gasachtige omgevingen die kleine gekalibreerde concentraties van het beoogde gas bevatten. Er wordt dan verwacht dat het erg compacte THz licht dit gas periodiek zou verwarmen en een membraan aanstuurt dat een van de gaten bedekt in het gatenpatroon. Het meten van de bewegingen van het membraan zou dan resulteren in de detectie van het doelgas.

Het project kwam tot stand dankzij deze partners: