Mobile Materialanalyse Winziges Nahinfrarot-Spektrometer

Rund 30 Prozent kleiner als ein Stück Würfelzucker ist das vom Fraunhofer IPMS entwickelte NIR-Spektrometer
Rund 30 Prozent kleiner als ein Stück Würfelzucker ist das vom Fraunhofer IPMS entwickelte NIR-Spektrometer

Wissenschaftler am Fraunhofer Institut IPMS haben ein nur knapp Würfelzucker-großes Nahinfrarot-Spektrometer entwickelt, mit dem sich erstmals gasförmige, flüssige und feste Stoffe direkt vor Ort am Untersuchungsobjekt analysieren lassen.

Bislang gibt es zwar eine ganze Reihe an Spektrometern für den Laboreinsatz, jedoch kaum mobile Systeme, die für den vor-Ort-Betrieb oder für die Integration in Produktionsanlagen ausgelegt sind.

Das neue miniaturisierte Gitterspektrometer des Fraunhofer Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS hingegen ist mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ etwa 30 Prozent kleiner als ein Stück Würfelzucker. Weil es zudem nur wenige Milliwatt an Leistung aufnimmt, eignet es sich ideal zur Integration in mobile Messgeräte und für die in-situ-Messung in Anlagen.

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, das 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 mm³ messendes Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS). Diesen MEMS-Scanner, die einzelnen Gitter und optischen Spalte fertigen die Wissenschaftler direkt auf Siliziumwafern. Diese dünnen Siliziumplatten 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.

Die Wissenschaftler müssen also nicht wie bei konventionellen Spektrometern Spiegel, Spalte, Gitter und Detektor Stück für Stück ausrichten, sondern lediglich die jeweiligen Substratverbünde. Der Vorteil: Eine enorme Reduzierung der Herstellungskosten. Zudem sind MEMS-Strukturen deutlich robuster als klassisch in Feinmechanik gefertigte Bauelemente.

Bis zur Markteinführung des Mini-Spektrometers werden wohl noch drei bis fünf Jahre vergehen. Ein erstes, voll funktionsfähiges Muster ist bereits fertig gestellt. Am Beispiel der Erkennung unterschiedlicher Kunststoffe demonstriert es Messungen im Wellenlängenbereich von 950  bis 1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm.