Miniaturspektrometer mit breitem Spektrum
Nahinfrarot-Spektrometer aus mikro-elektromechanischen Bauelementen kann gasförmige, flüssige und feste Stoffe analysieren.
Mikro-Elektromechanische Bauelemente (MEMS) mit unterschiedlichster Funktion stecken heute in einer Vielzahl von Produkten wie Druckern, Kraftfahrzeugen, Mobiltelefonen oder Computern. Sie werden als Sensoren in der Prozesstechnik und Qualitätskontrolle genauso eingesetzt wie in der Telekommunikation und der Medizintechnik.
Abb.: MEMS mit integriertem Beugungsgitter, Antrieb und optischen Schlitzen (Bild: IMPS)
Zu den neuesten Entwicklungen des Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS zählt ein Nahinfrarot-Spektrometer, das auf einem Scannerspiegel mit aufgebrachtem Beugungsgitter beruht. Das Spektrometer ermittelt die Intensität des reflektierten Lichts für eine große Zahl von Wellenlängen-Intervallen, indem es die Strahlung durch Beugung und Interferenz an diesem optischen Gitter aufspaltet. Dazu verwendet es ein spezielles zeitdiskretes Messprinzip, welches es ermöglicht, ein Spektrum mit einem einzelnen hochempfindlichen Detektor nur durch die Drehbewegung des integrierten MEMS-Gitters zu scannen. Anders als konventionelle Geräte kommt das Spektrometer ohne eine teure NIR-Diodenzeile aus und eröffnet damit vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten für die Spektroskopie im Wellenlängenbereich bis 1900 Nanometer.
Den MEMS-Scanner, die einzelnen Gitter und optischen Spalte fertigen die Wissenschaftler direkt auf Siliziumwafern, so dass eine große Zahl von Spektrometern im Batch-Prozeß kostengünstig hergestellt werden kann. Perspektivisch erfolgt auch die Integration mit anderen optischen Komponenten im Waferverbund mit nachfolgender Vereinzelung. Die Wissenschaftler müssen also nicht wie bei konventionellen Spektrometern Spiegel, Spalte, Gitter und Detektor Stück für Stück ausrichten, sondern lediglich die jeweiligen Substratverbünde. Der Vorteil liegt in einer enormen Reduzierung der Herstellungskosten. Zudem sind MEMS-Strukturen deutlich robuster als klassisch in Feinmechanik gefertigte Bauelemente.
Heinrich Grüger, verantwortlicher Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IPMS, ist überzeugt, dass sich die Technologie mittelfristig durchsetzen wird. Denn das System ist kleiner als ein Stück Würfelzucker und damit so kompakt, dass es in nahezu jedes mobile Endgerät und jeden Prozessautomaten integriert werden kann. „Das System erlaubt Messungen im Wellenlängenbereich von 950 Nanometern bis 1900 Nanometern bei einer spektralen Auflösung von zehn Nanometern“, erläutert Grüger.
„Damit ist die Technologie für die Analyse unterschiedlichster organischer Verbindungen und vielfältige Anwendungen wie zum Beispiel tragbare Messgeräte für die Nahrungsmittelindustrie, mobile medizintechnische und pharmakologische Analysegeräte, industrielle in situ-Qualitätstests oder Frühwarn- und Überwachungssysteme in Sicherheitsanwendungen und Gebäudemanagement interessant.“ In jedem Fall geht es darum, Art und Konzentration von beteiligten Materialien möglichst zeitsparend qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Das Institut stellt die Technologie auf der Sensor und Test, Europas größter Messtechnik-Messe, vom 14.-16. Mai 2013 der Öffentlichkeit vor.
IMPS / DE
