MEMS-basierte Spektroskopiesysteme

Miniaturisierte MEMS-basierte Spektroskopiesysteme

© Fraunhofer IPMS
MEMS-Gitterspektrometer: So klein wie ein Stück Würfelzucker.
© Fraunhofer IPMS
Design eines miniaturisierten MEMS-Spektrometers.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt miniaturisierte Spektrometersysteme für den mobilen Einsatz in vielfältigen Applikationen, wie z.B. im Agrar- und Lebensmittelbereich, in Pharmazie, Biotechnologie und Medizin als auch im Umwelt- und Recyclingbereich.

Das entwickelte miniaturisierte Gitterspektrometer ist mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ etwa 30% kleiner als ein gewöhnliches Stück Würfelzucker und das derzeit kleinste NIR-Spektrometer weltweit. Durch den kompakten Aufbau, einem Gewicht von nur 17g und einer niedrigen Leistungsaufnahme im mW-Bereich ist es ideal zur Integration in mobile Analysegeräte zur Vorort-Messung. In der realisierten Ausführungsform adressiert es den NIR-Spektralbereich von 950-1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm.

Ob Frischeprüfung von Lebensmitteln, sortenreine Trennung von Plastikgegenständen im Recycling, Bestimmung von Art und Konzentration von Ausgangsstoffen in der Pharmazie oder Messung der Zusammensetzung von Gasen und Flüssigkeiten im Verbrennungstrakt von Fahrzeugen: In jedem Fall geht es darum, Art und Konzentration von beteiligten Materialien möglichst zeitsparend qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Die Spektroskopie, bei der Stoffe beleuchtet und Intensität und Wellenlänge des reflektierten Lichts analysiert werden, ist für all diese Anwendungen prädestiniert. Denn die Messung mittels elektromagnetischer Strahlung ist berührungsfrei, lässt die Probe unbeschadet und ist gleichermaßen für feste, flüssige oder gasförmige Stoffe geeignet.

Beim Gitterspektrometer des Fraunhofer IPMS erfolgt das Aufspalten von Strahlung durch Beugung und Interferenz an einem optischen Gitter. Das Spektrometer verwendet ein spezielles zeitdiskretes Messprinzip, welches es ermöglicht, ein Spektrum mit einem einzelnen hochempfindlichen Detektor nur durch die Drehbewegung des integrierten MEMS-Gitters zu scannen. Zentrales Element des Spektrometers ist ein am Fraunhofer IPMS entwickeltes nur (9,5 × 5,3 × 0,5) mm³ messendes Mikro-Elektro- Mechanisches System (MEMS). Diesen MEMS-Scanner, die einzelnen Gitter und optischen Spalte fertigen die Wissenschaftler direkt auf Siliziumwafern. Diese dünnen Siliziumplatten sind so groß, dass die Bauteile für mehrere hundert Spektrometer darauf passen – es können also hunderte Spektrometer auf einen Schlag gefertigt werden. Perspektivisch stapeln die Wissenschaftler die Wafer mit den integrierten Bauteilen mit den ebenfalls auf großen Substraten gefertigten optischen Komponenten aufeinander, justieren und fixieren sie und vereinzeln sie dann zu den einzelnen Spektrometern. 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: Eine enorme Reduzierung der Herstellungskosten. Zudem sind MEMS-Strukturen deutlich robuster als klassisch in Feinmechanik gefertigte Bauelemente.