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Miniaturisierte Spektrometer dank MEMS-Technologie

Mikro-Elektromechanische Bauelemente - MEMS haben dank ihrer geringen Abmessungen, Multifunktionalität und Energiesparsamkeit bereits wegweisende Innovationen hervorgebracht und bieten das Potenzial, traditionelle Technologien zu erweitern oder gar abzulösen.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden zählt weltweit zu den führenden Pionieren der MEMS-Entwicklung. Vor allem, wenn es um Systeme geht, die Licht ablenken oder modulieren. Ein MEMS basierendes Nahinfrarot-Spektrometer, mit dessen Hilfe gasförmige, flüssige und feste Stoffe vor Ort am Untersuchungsobjekt ohne zusätzliche Probenentnahme und Labormessungen analysiert werden können, zeigt eindrucksvoll, welche Möglichkeiten mikro-elektromechanische Bauelemente bieten. Das Institut stellt die Technologie auf der Sensor und Test, Europas größter Messtechnik-Messe, vom 14. bis 16. Mai 2013 der Öffentlichkeit vor.

MEMS-Bauelemente 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. Solche neuartigen Mikrosysteme zu entwickeln und erste Muster zu fertigen, hat sich das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS auf die Fahnen geschrieben und bringt dazu neben der erforderlichen Infrastruktur mit modernsten Anlagen und 1500 m² Reinraumfläche in der Reinheitsklasse 10 erstklassiges Technologie-Know-how und langjährige Erfahrungen mit industriellen Fertigungsprojekten ein.

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Mikro-Elektromechanische Bauelemente - MEMS

Zu den neuesten Entwicklungen des Forschungsinstituts 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 nm. 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: Eine enorme 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 bis 1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm", 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. 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.

Diese neuen Möglichkeiten der Scanning-Grating-Technologie für die Umsetzung anspruchsvollster Forschungs- und Pilot-Fertigungsvorhaben kennen zu lernen, lädt das Fraunhofer IPMS die Besucher der Sensor und Test, Europas größter Messtechnik-Messe, vom 14. bis 16. Mai 2013 auf den Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft 537 in Halle 12 ein. Dort präsentiert das Institut neben den eingesetzten MEMS-Komponenten auch ein im Handel erhältliches System der Firma HiperScan, das zur Indentifikation von Rezepturrohstoffen in Apotheken eingesetzt wird.

In dem Laborgerät kommt die Technologie des Fraunhofer IPMS bereits zum Einsatz. Des weiteren stehen Experten des Fraunhofer IPMS bereit, um die Fertigungsmöglichkeiten auch für andere MEMS-Bauelemente im Mikrosystemtechnik-Reinraum des Instituts zu erläutern und Kooperationsmöglichkeiten zu erörtern.

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