Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS) sind Wegbereiter für mobil einsetzbare handliche Sensorsysteme, die einfach durchzuführende Messungen vor Ort oder auch eine Integration in industrielle Messtechnik in Produktions- und Verarbeitungsanlagen erlauben. Mögliche Anwendungen finden sich unter anderem im Bereich spektroskopischer Messsysteme. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS stellt auf der Messe Sensor und Test vom 10. bis 12. Mai 2016 in Nürnberg zwei neue Ansätze der optischen Spektroskopie sowie eine Lösung der Ultraschallspektroskopie vor.
Das Potenzial spektroskopischer Messungen ist enorm. Der einzigartige Fingerabdruck liefert detaillierte Informationen zu Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Die Messungen selbst sind zumeist sehr schnell möglich, unkompliziert und kostenschonend, da die Proben nicht aufwendig vorbereitet werden müssen und durch die Messungen nicht zerstört werden. Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS ist es, immer kleinere und robuste Spektrometer zu entwickeln, die für den Feldeinsatz geeignet sind oder in industrielle Messtechnik integriert werden können.
So haben die Forscher ein mobiles MEMS-Gitter-Spektrometer im Würfelzuckerformat entwickelt. Mit dessen Hilfe können flüssige und feste Stoffe durch Analyse des Lichts im nahen Infrarotbereich (also 950 - 1900 Nanometer) untersucht werden. Das System, das zum Beispiel verschiedene Pulver wie Zucker, Süßstoff oder Salz unterscheiden kann, ist mit einem Volumen von nur 2,1 Kubikzentimeter etwa 30 Prozent kleiner als ein gewöhnliches Stück Würfelzucker und wird über ein gewöhnliches Smartphone gesteuert. Es erlaubt Messungen im Wellenlängenbereich von 950 bis 1900 Nanometer bei einer spektralen Auflösung von 10 Nanometer. Damit ist die Technologie für die Analyse unterschiedlichster organischer Verbindungen interessant. Darüber hinaus ist der Einsatz in vielfältigen Anwendungen wie zum Beispiel tragbaren Messgeräten für die Nahrungsmittelindustrie, mobile Analysegeräte für Medizin, oder Frühwarn- und Überwachungssysteme in Sicherheitsanwendungen und Gebäudemanagement denkbar.
Viele für die Sicherheitsüberwachung bedeutsame chemische Stoffe haben ihre charakteristischen Absorptionslinien allerdings nicht im nahen Infrarot, sondern im mittleren Infrarotbereich (3 - 12 Mikrometer). Um auf mögliche Risiken, zum Beispiel entweichende Giftstoffe, über spektroskopische Analysen einschätzen und rechtzeitig reagieren zu können, entwickeln das Fraunhofer IPMS und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF gemeinsam eine neue monochromatische Strahlungsquelle für den mittleren Infrarotbereich. Diese bildet die technologische Grundlage für die Entwicklung handlicher Spektrometer, die in der Lage sind, die Konzentration verschiedener Gefahrenstoffe schnell und vor Ort zu ermitteln.
Herzstück des Systems ist die Kombination aus einem im mittleren Infrarot breitbandig anregbaren Quantenkaskadenlaserchip, der am Fraunhofer-IAF entwickelt wurde. Er besitzt einen auf dem MEMS-Scanner basierenden lichtstarken Beugungsgitter. Um das emittierte Licht des Quantenkaskadenlasers verändern beziehungsweise durchstimmen zu können, wird das mikromechanisch gefertigte Bauelement mit einem Durchmesser von 5 Millimeter in dem externen Resonator des Quantenkaskadenlasers platziert. Es erlaubt das Durchfahren der Laserwellenlänge mit einer Frequenz von 1000 Hertz und einem Durchstimmbereich von bis zu 20 Prozent der Zentralwellenlänge. Im Zeitmultiplex kann so die Probe mit unterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt und mittels des »Fingerabdrucks« auf Art und Konzentration der Gefahrenstoffe geschlossen werden.
Neben Verfahren der optischen Spektroskopie arbeitet das Fraunhofer IPMS an der spektroskopischen Untersuchung mittels Ultraschall. Diese ermöglicht insbesondere Aussagen über physikalische Kenngrößen von Materialien sowie chemische Analyse von Dispersionen. So sind über die Analyse der frequenzabhängigen Dämpfung und Schallgeschwindigkeit Aussagen über Qualität und Zusammensetzung von Ölen, Alkohol-Wasser-Gemischen oder sonstiger Flüssigkeiten möglich. Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) können in diesem Anwendungsbereich Wegbereiter für neuartige kompakte Umweltmesssysteme sein.
Im Gegensatz zu gängigen piezoelektrischen Ultraschallelementen werden CMUTs mittels mikromechanischer Herstellungsverfahren gefertigt und ermöglichen extrem kompakte Geräte. Durch eine monolithische Integration der Sensoren mit CMOS-Schaltungen können komplette Analysesysteme auf einem einzigen Chip aufgebaut werden. Für die akustische Spektroskopie sind CMUTs ideal geeignet, da sie in flüssige Medien extrem effizient den Schall einstrahlen können, die Detektion hochsensitiv ist und eine große Frequenzbandbreite verwendet werden kann.
