Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement

• Main Author: Pügner, Tino
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2016
• Subjects: Spektrometer; Gittermonochromator; Miniaturisierung; MEMS; MOEMS; Spectrometer; Grating Monochromator; Miniaturization; ddc:621; ddc:530; rvk:UP 9000; rvk:ZN 3750
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-197435; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-197435; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/19743/Promotionsschrift.pdf

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. === Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.