Abstract. Infrared attenuated total reflection (ATR) spectroscopy is a common laboratory technique for the analysis of highly absorbing liquids and solids, and a variety of ATR accessories for laboratory FTIR spectrometers are available. However, ATR spectroscopy is rarely found in industrial processes, where compact, robust, and cost-effective sensors for continuous operation are required. Here, narrowband photometers are more appropriate than FTIR instruments. We show the concept and implementation of a compact Si-based ATR module with a four-channel microelectromechanical systems (MEMS) detector. Measurements of liquid mixtures demonstrate the suitability for applications in the chemical industry. Apart from sapphire (for wavelengths below 5 µm) and diamond (extending to the far-infrared region), most materials for ATR elements do not have either high enough infrared transmission or sufficient mechanical and chemical stability to be exposed to process fluids, abrasive components, or aggressive cleaning agents. However, using diamond coatings on Si improves the stability of the sensor surface. In addition, by proper choice of incidence angle and coating thickness, an enhancement of the ATR absorbance is theoretically expected and demonstrated by first experiments using a compact sensor module with a diamond-coated Si ATR element.

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In dieser Arbeit wird eine photoakustische Messzelle zur Bestimmung von Methan vorgestellt. Die Grundlage stellt eine kommerzielle NDIR-Gasmesszelle dar, die um ein MEMS-Mikrofon erweitert wurde. Zur Erzeugung des photoakustischen Signals wurde ein MEMS-Breitband-IR-Strahler bei einer Frequenz von 9 Hz elektrisch moduliert. Mittels Lock-In-Verfahren wurde das Signal in Abhängigkeit der Konzentration von Methan detektiert. Das zu erwartende Signal konnte über eine rechnerische Modellgleichung abgeschätzt und so mit den experimentellen Werten verglichen werden. Es wird gezeigt, dass diese Abschätzung mit den experimentellen Daten gut übereinstimmt und somit prinzipiell für die Realisierung von photoakustischen Messzellen verwendet werden kann. Der Sensor wurde mit zwei Strahlertypen erprobt. Es wurde ein Detektionslimit von 108 ppmV bei einer Auflösung von 43 ppmV ermittelt.

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