Neuer Photodetektor
»Mini«-Emissionsspektrometer analysiert Metalle genauer, schneller und effizienter
Automobil- und Stahlindustrie sowie Goldschmiede nutzen optische Emissionsspektrometer um Metalle anhand ihres Lichtspektrums zu prüfen. Forscher des Fraunhofer IMS konnten die Spektrometer jetzt beschleunigen, erheblich verkleinern und die Messgenauigkeit steigern.
Emissionsspektrometer mit guter Auflösung waren bislang sehr groß und schwer, wenn sie eine gute Auflösung haben sollten. Durch einen am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg entwickelten Sensor schrumpfen die Geräte deutlich. »Waren die hochauflösenden Spektrometer bislang etwa so groß wie eine Waschmaschine, dürften sie mit unserem Sensor nur noch die Größe eines Mikrowellenofens haben«, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. Zudem sind die Messungen mit dem neuen Senosr genauer als bisher, und liegen etwa doppelt so schnell vor. Das kann beispielsweise bei der Qualitätskontrolle in der Automobilindustrie wichtig sein.
Zur Spektrometrie wird ein Teilchen Metall ausgeschlagen und ein Plasma erzeugt, dessen Licht in zwe Strahlengänge aufgeteilt und in die einzelnen Wellenlängenbereiche zerlegt und getrennt untersucht wird. In einem Stahlengang erfassen CCD-Zeilensensoren – lichtempfindliche elektronische Bauelemente – das Spektrum. Dieses gibt Aufschluss darüber, welche Teilchen in welcher Konzentration im Plasma vorliegen. So wird etwa die Zusammensetzung von Stählen genau ermittelt. Im zweiten Strahlengang werden nur die einzelnen Spektrallinien erfasst, sodass das Gerät das Licht des Plasmas von dem der Funken unterscheiden kann.
Bisher werden die orts- und zeitaufgelösten Messungen getrennt voneinander vorgenommen. Werner Brockerde sagt: »Mit unserem auf Halbleitern basierenden (CMOS) Sensor können wir diese beiden Untersuchungen erstmals vereinen. Wir brauchen also nur noch einen Strahlengang und damit auch nur noch eine Optik«.
Mit einer einhundertfach größeren Dynamik als herkömmliche Sensoren kann der Photodetektor Signale im Bereich einiger Millivolt, aber auch mit Aussschlägen von einigen hundert Millivolt messen. Bislang waren mehrere Messdurchgänge nötig. »Da wir das komplette Spektrum nun mit einer einzigen Pulsserie messen können, steigt auch die Genauigkeit der Untersuchung«, erklärt Brockherde.
»Der Markt der Spektroskopie-Hersteller ist überwiegend in deutscher Hand«, erläutert der Wissenschaftler. »Mit unserem Sensor, der in Deutschland entwickelt und gefertigt wird – und nicht weltweit verfügbar ist – können die Hersteller ihren derzeitigen Wettbewerbsvorteil weiter sichern.« Einen Demonstrator des Sensors stellen die Forscher auf der Messe Vision vom 4. bis 6. November in Stuttgart vor (Stand 1H74). Interessierte Entwickler können ein Evaluierungs-Kit erhalten.
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