Trotz dieser Vorteile bietet der Markt heute zwar Spektrometer für den Labor-einsatz, jedoch kaum Systeme, die einfache Messungen vor Ort oder gar eine Integration in industrielle Messtechnik in Produktions- und Verarbeitungsanlagen erlauben. Dies hat zwei Ursachen: Zum einen verwenden diese Geräte ein- oder zweidimensionale Photodioden-Arrays aus III-V-Halbleitern wie Indium-Gallium-Arsenid, was den Preis in die Höhe treibt. Zum anderen sind sie technologiebedingt voluminös. Mit dem miniaturisierten Gitterspektrometer wird sich das ändern, sagt Dr. Heinrich Grüger, verantwortlicher Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IPMS, wo das Spektrometer entwickelt wird. "Unser System ist mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ etwa 30 % kleiner als ein gewöhnliches Stück Würfelzucker. Durch den kleinen Bauraum und eine Leistungsaufnahme von nur einigen wenigen Milliwatt ist es ideal zur Integration in mobile Messgeräte und für die In-situ-Messung in Anlagen und Gebäuden geeignet."

Kostengünstig und robust
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 mm messendes Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS). Diesen MEMS-Scanner, die einzelnen Gitter und optischen Spalte fertigen die Wissenschaftler direkt auf Siliciumwafern. Diese dünnen Siliciumplatten 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. Man muss also nicht wie bei konventionellen Spektrometern Spiegel, Spalte, Gitter und Detektor Stück für Stück ausrichten, sondern lediglich die jeweiligen Substratverbünde. Der Vorteil: Eine wirklich enorme Reduzierung der Herstellungskosten. Zudem sind MEMS-Strukturen deutlich robuster als klassisch in Feinmechanik gefertigte Bauelemente.

Heinrich Grüger schätzt, dass bis zur Markteinführung noch drei bis fünf Jahre vergehen werden. Doch schon auf der Photonics West im Februar 2013 stellten er und sein Team ein erstes vollfunktionsfähiges Muster dieses Mini-Spektrometers der breiten Öffentlichkeit vor. Das System, das am Beispiel der Erkennung unterschiedlicher Kunststoffe demonstriert wurde, erlaubt Messungen im Wellenlängenbereich von 950...1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm. 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 Analysengeräte, industrielle In-situ-Qualitätstests oder Frühwarn- und Überwachungssysteme in Sicherheitsanwendungen und Gebäudemanagement interessant.

Kontakt:
Dr. Michael Scholles
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden
Tel. 0351/8823-201
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