Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden stellt ein MEMS basierendes Nahinfrarot-Spektrometer vor, mit dem sich gasförmige, flüssige und feste Stoffe vor Ort am Untersuchungsobjekt ohne zusätzliche Probenentnahme und Labormessungen analysieren lassen.


Das Nahinfrarot-Spektrometer beruht auf einem Scannerspiegel mit aufgebrachtem Beugungsgitter. Es 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. Ein spezielles zeitdiskretes Messprinzip ermöglicht es, 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 1900nm.


Den MEMS-Scanner, die einzelnen Gitter und optischen Spalte fertigen die Wissenschaftler direkt auf Siliziumwafern. Das ermöglicht die kostengünstige Herstellung einer große Zahl von Spektrometern im Batch-Prozeß. 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. Zudem sind MEMS-Strukturen deutlich robuster als klassisch in Feinmechanik gefertigte Bauelemente.


Das System ist kleiner als ein Stück Würfelzucker und lässt sich damit in nahezu jedes mobile Endgerät und jeden Prozessautomaten integrieren. „Das System erlaubt Messungen im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm“, sagt Heinrich Grüger, verantwortlicher Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IPMS. „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“. Die Messung mittels elektromagnetischer Strahlung ist berührungsfrei, lässt die Probe unbeschadet und ist gleichermaßen für feste, flüssige oder gasförmige Stoffe geeignet.


Das Fraunhofer IPMS präsentiert das System während der Sensor und Test vom 14.-16. Mai 2013 auf den Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft 537 in Halle 12.