Miniaturisiertes MEMS Gitterspektrometer - Fraunhofer
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FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHOTONISCHE MIKROSYSTEME IPMS 1 1 NIR-Mikrospektrometer im Volumen eines Stücks Würfelzucker, Messbereich: 950 nm – 1900 nm, 2 MINIATURISIERTES MEMS GITTERSPEKTROMETER spektrale Auflösung: 10 nm. 2 Längs- und Querschnitt des NIRMikrospektrometers, Bauteilstapel aus sechs Komponenten inkl. hervorgehobenem Strahlengang. Motivation bilität entscheidend sind, waren diesen Messgeräten bisher technologiebedingt ver- Spektrometer werden seit vielen Jahrzehn- schlossen. Spektrale Messgeräte in mobilen Fraunhofer-Institut für ten für die qualitative und quantitative Endgeräten für Lebensmittelkontrolleure, Photonische Mikrosysteme IPMS Analyse verschiedenartigster Substanzen medizinisches Personal, Umwelttechniker genutzt. Im Gegensatz zu vielen konkur- und Sicherheitskräften zählen ebenso wie Maria-Reiche-Str. 2 rierenden Verfahren erfolgt die Messung die Integration in moderne industrielle 01109 Dresden mittels elektromagnetischer Strahlung Anlagen, Transportsysteme und Gebäude berührungsfrei und nicht destruktiv, unab- zu den bisher noch nicht adressierten hängig davon ob das Untersuchungsobjekt Einsatzszenarien. Ansprechpartner Dr. Michael Scholles gasförmig, flüssig oder fest vorliegt. Für die Telefon +49 351 8823-201 Analyse von den in der Lebensmittelchemie, Miniaturisierte Gitterspektrometer als [email protected] Pharmazie, Medizin-, Umwelt-, Sicherheits- Bestandteil zukünftiger mobiler Endge- und Haustechnik oftmals auftretenden räte und stationärer Anlagen werden es organischen Verbindungen ist insbesondere ermöglichen Messwerte vor Ort direkt am der Wellenlängenbereich des nahen Infrarot Untersuchungsobjekt ohne zusätzliche interessant. Probenentnahme und Analyse im Labor zu Dr. Tino Pügner Telefon +49 351 8823-166 [email protected] www.ipms.fraunhofer.de mini-spektrometer-d bewerten. Das Übertragen von chemometAls ideale Methode zur Analyse im nah rischen Modellen und Messergebnissen mit infraroten Spektralbereich bietet sich den allgegenwärtig verfügbaren digitalen, der Einsatz von Gitterspektrometern an. drahtlosen Schnittstellen unterstützt die Applikationen in denen geringe Baugröße, zeitliche Effizienz und den Zugewinn an niedrige Leistungsaufnahme und Porta- Information in idealer Weise. 3 4 Beschreibung Technologie Anwendungsfelder Das am Fraunhofer Institut für Photonische Zentrales Element des miniaturisierten Tragbare Messgeräte für die Nahrungs- Mikrosysteme entwickelt miniaturisierte Gitterspektrometers ist ein am Fraunhofer Gitterspektrometer ist mit einem Volumen IPMS entwickeltes nur (9,5 × 5,3 × von nur 2,1 cm³ etwa 30% kleiner als ein 0,5) mm³ messendes Mikro-Elektro- gewöhnliches Stück Würfelzucker. Durch Mechanisches System (MEMS). Dieses in den kleinen Bauraum und eine Leistungs- einkristallinem Siliziumsubstrat gefertigte aufnahme von nur einigen wenigen Milli- monolithische Bauelement enthält ein watt ist es ideal zur Integration in mobile rotatorisch aufgehängtes Beugungsgitter Messgeräte und für die in situ Messung in mit dem zugehörigen elektrostatischen Anlagen und Gebäuden geeignet. Der nah Gitterantrieb, die Positionsdetektion für infrarote Messbereich zwischen 950 nm bis die Auslenkung und zwei optische Spalte. 1900 nm adressiert vor allem Applikationen Der durch das MEMS in idealer Weise aus den Bereichen Lebensmittelchemie, umgesetzte Weg der Miniaturisierung über Pharmazie, Medizin-, Umwelt-, Sicherheits- Integration wird in den anderen Kompo- und Haustechnik. nenten des Spektrometers konsequent mittelindustrie und Kontrollorgane Mobile medizintechnische und pharma- kologische Analysegeräte Industrielle Messtechnik in Produktions- und Verarbeitungsanlagen Frühwarn- und Überwachungssysteme in Sicherheitsanwendungen und Gebäudemanagement In situ Messungen in der Umweltanalytik und im Umweltmonitoring weiter verfolgt. Jedes optische Bauteil Funktionsweise vereint mehrere Funktionselemente in sich und wird durch modernste Verfahren der Elektromagnetische Strahlung, welche Ultrapräzision-Mikrobearbeitung (UPM) Informationen eines zu untersuchenden gefertigt. Alle optischen Komponenten Objektes enthält, wird in einem Spektrome- lassen sich alternativ für größere Stück- ter nach der Wellenlänge aufgespalten und zahlen und bei niedrigeren Stückkosten in ihrer Intensität gemessen. Anhand der abformend herstellen. Zusammen mit der resultierenden Wellenlänge-Intensität-Kenn- vollautomatischen Montage auf Standard- linie erfolgt die Stoffanalyse mit komplexen Mikromontageautomaten und der mathematischen Methoden und chemome- MEMS-Technologie können auch größte 3 Spektrum einer Xe-Kurzbogen- trischen Modellen. In Gitterspektrometern Stückzahlen preisgünstig gefertigt werden. lampe, mit Labor-Monochromator erfolgt das Aufspalten von Strahlung, die sogenannte Dispersion, durch Beugung auf weniger als 1 nm Peak-Breite Spezifikation und Interferenz an einem optischen Gitter. Das am Fraunhofer IPMS entwickelte miniaturisierte Gitterspektrometer 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. (FWHM ) vorgefiltert, aufgenommen mit dem Mikrospektrometer Messbereich: (950 … 1900) nm Auflösung: 10 nm Abmessungen: (16 × 17 × 12) mm³ Volumen: 2,1 cm³ Gewicht: 17 g bei 100-facher Mittelung zeigt die Auflösung von 10 nm. 4 Spektrum einer Xe-Kurzbogenlampe ungefiltert aufgenommen mit dem Mikrospektrometer bei 100-facher Mittelung über den gesamten Spektralbereich von 950 nm – 1900 nm.
