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Herstellung und Charakterisierung hocheffizienter, mikromechanischer NIR-Beugungsgitter für den Einsatz in miniaturisierten Spektrometern

Fabrication and characterization of high-efficient, micromechanical NIR diffraction gratings used in miniaturized spectrometers
 
: Zimmer, Fabian
: Schenk, Harald; Schmeißer, Dieter; Hoffmann, Martin

:
Volltext (PDF; )

Cottbus: BTU, 2012, XVI, 128 S.
Zugl.: Cottbus, TU, Diss., 2012
URN: urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25224
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IPMS ()

Abstract
Im heutigen Bereich der Analytik spielen optische Verfahren eine wichtige Rolle und kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Vorteilhaft ist dabei die berührungslose und zerstörungsfreie Messung mit Licht, die die Analyse von kritischen Substanzen deutlich vereinfacht. Die optische Spektroskopie nimmt dabei einen wichtigen Teil der Analytik ein.
Speziell die Nah-Infrarot (NIR)-Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3000 nm weist zahlreiche Anwendungen auf, die von chemischen Reaktionen und Prozessanalysen, der Untersuchung von Polymeren und Textilien, der Qualitätskontrolle von Früchten und Samen bis in die Medizintechnik reichen. Die hierfür verwendeten NIR-Spektrometer sind überwiegend als Spektrografen ausgelegt, wobei das dispersive Element fest eingebaut ist und das Spektrum über ein Galliumarsenid basiertes Diodenarray vermessen wird. Diodenarrays im NIR-Bereich sind kostenintensiv, tragen allerdings maßgeblich zur spektralen Auflösung der Spektrografen bei. Ein alternativer Ansatz ergibt sich durch Monochromatoren mit einem beweglichen dispersiven Element, wobei das Spektrum zeitabhängig über den Detektor streicht. Dadurch ist nur eine Einzeldiode als Detektor ausreichend. Die spektrale Auflösung ist in diesem Fall allerdings eine Funktion der zeitabhängigen Position des dispersiven Elements, die mit hoher Präzision kontrolliert und bestimmt werden muss. In Kombination mit schnellen Messzeiten eines Spektrums im Millisekunden-Bereich, ist eine makroskopische Realisierung sehr aufwendig.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich alternativ mit der Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen NIR-Beugungsgitters, durch das ein neuartiges, miniaturisiertes NIR-Spektrometer, basierend auf einer Monochromator-Konfiguration, realisiert werden konnte. Das Beugungsgitter basiert dabei auf einem resonant schwingenden Mikrospiegel, der als mikroelektromechanisches System (MEMS) mittels siliziumbasierter, oberflächennaher Volumen-mikromechanik hergestellt wurde. Dabei konnte durch den Einsatz des mikromechanischen Beugungsgitters ein äußerst kompaktes und robustes NIR-Spektrometer (10 x 8 x 7,5 cm³) entwickelt werden, das als Monochromator-System einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber derzeitigen NIR-Spektrografen erzielen kann.
Erforderlich war hierbei, die Anforderungen an das mikromechanische Beugungsgitter zwingend an den Randbedingungen des NIR-Spektrometers zu spiegeln und mit Ihnen in Übereinstimmung zu bringen. Durch eine gezielte Dimensionierung und Optimierung der mechanischen und optischen Eigenschaften des mikromechanischen Beugungsgitters, zu der unter anderem die Größe, Beugungseffizienz, Schwingungsfrequenz, Schwingungsstabilität, Schockfestigkeit und ein Verfahren zur Detektion des zeitabhängigen Torsionswinkels gehörte, konnte eine spektrale Auflösung des NIR-Spektrometers von unter 10 nm bei einem Wellenlängenbereich von 900 - 2500 nm erreicht werden. Gleichzeitig wurden 3 verschiedene Gitterstrukturen zur Maximierung der Beugungseffizienz untersucht, erfolgreich hergestellt und vermessen.

 

Optical procedures play an increasingly important role in today's field of analytics and are used in a variety of applications. In this context the non-contact and non-destructive measurement with light, which greatly simplifies the analysis of critical substances, is advantageous. Optical spectroscopy, therefore, is an important part of analytics.
In particular near-infrared (NIR) spectroscopy with a wave length range from 780 nm to 3000 nm exhibits numerous applications, ranging from chemical reactions and process analyses, examinations of polymers and textile to quality control of fruits and seeds as well as medical technology. The NIR spectrometers used in this context are primarily designed as spectrographs while the dispersive element is firmly installed and the spectrum is measured via a diode array based on gallium arsenide. Diode arrays in the NIR range are costly but contribute significantly to the spectral resolution of the spectrograph. An alternative approach uses monochromators with a flexible dispersive element as the spectrum swipes across the detector at a specific time. A single diode as a detector is sufficient for this purpose. However, the spectral resolution is a function of the time-dependent position of the dispersive element, which must be controlled and guided with high precision. A macroscopic realization in combination with quick spectrum measurement times in the millisecond range is very elaborate.
The present work alternatively deals with the manufacturing and characterization of a micromechanical NIR diffraction grating with which a new, miniaturized NIR spectrometer, based on a monochromator configuration, could be realized. The diffraction grating is based on a resonantly driven micro-mirror, which has been manufactured as a micro-electromechanical system (MEMS) with silicon-based, near-surface volume micromechanics. In this process an extremely compact and robust NIR spectrometer (10 x 8 x 7.5 cm³) was developed by using a micromechanical diffraction grating. The spectrometer shows a decisive cost advantage in comparison with current NIR spectrographs.
In this regard it was absolutely necessary to mirror the requirements for the micromechanical diffraction grating with the marginal conditions of the NIR spectrometer and bring these in agreement with each other. A spectral resolution of the NIR spectrometer below 10 nm with a wave length range of 900 - 2500 nm was achieved with a targeted dimensioning and optimization of the mechanical and optical properties of the micromechanical diffraction grating; this also included among other things the size, diffraction efficiency, vibration frequency, vibration stability, shock resistance and a procedure to detect the time-dependent torsion angle. Concurrently 3 different grating structures were successfully examined, manufactured and measured in order to maximize the diffraction efficiency.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-259390.html