Mit schwingenden Spiegeln Stoffe aufspüren

Beim Nachweis umweltrelevanter Stoffe sind Spektrometer ebenso gefragt wie bei der Prozessüberwachung in der Industrie. Auf der Messe „Sensor“ in Nürnberg werden zwei Prototypen solcher Geräte vorgestellt, die besonders kostengünstig und robust ausgelegt sind.

Wie vom Regenbogen bekannt, besitzt ein Spektrum immer eine gewisse Breite. Diese Auffächerung bringt es in der chemischen Analytik mit sich, dass die Licht- oder Strahlungsintensität an unterschiedlichen Orten gemessen werden muss. Eine Möglichkeit ist ein drehbares Beugungsgitter, das wie ein Prisma arbeitet. Nach und nach bildet es das Spektrum auf einen ortsfesten Detektor ab. Je höher die spektrale Auflösung sein soll, desto teurer wird die dazu erforderliche stoßempfindliche Präzisionsmechanik. Für den erwarteten Massenmarkt kleiner und tragbarer Geräte ist dieses Messprinzip ungeeignet. Ebenso wenig kommen Geräte infrage, die mit einer rechnerisch aufwendigen Fourier-Transformation das Spektrum aus der zeitlichen Abnahme des Messsignals ermitteln. Eine kostengünstige Lösung sind Zeilendetektoren aus Halbleitern, die den spektralen Fingerabdruck von Substanzen ähnlich wie eine Digitalkamera aufnehmen. Doch begrenzt die Anzahl der Sensorelemente entweder die spektrale Auflösung oder die Breite des Spektrums.

Einen Ausweg bieten Minispiegel, die samt aufgebrachtem Beugungsgitter wie ein Chip in Serie gefertigt werden können. Zwei Prototypen von damit ausgestatteten, einfach aufgebauten Spektrometern werden vom 13. bis 15. Mai auf der Messe Sensor in Nürnberg präsentiert. Das erste arbeitet im für die chemische Analyse wichtigen infraroten Bereich bei Wellenlängen zwischen drei und fünf Mikrometern. „Dank neuer Mikrotechnologien werden wir das Gerät mit Industriepartnern bald besonders kostengünstig produzieren können“, versichert Dr. Thomas Otto von der Chemnitzer Abteilung Micro Devices and Equipment des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. „Darüber hinaus legen wir es besonders robust aus, was bei mobilen Geräten wichtig ist.“ Der Spiegel von der Größe des kleinen Fingernagels schwingt etwa tausendmal pro Sekunde hin und her. Da dies seine Resonanzfrequenz ist, stören ihn äußere Kräfte kaum.

Einen weiteren Kostenfaktor stellt die Ansteuerung der Geräte dar, wie Bereichsleiter Dr. Heinrich Grüger vom Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS betont: „In unserem Spektrometer, das sich für verschiedene Spektralbereiche eignet, bewegt ein patentierter elektrostatischer Antrieb den Spiegel. Da bereits eine Spannung von 20 Volt ausreicht, lässt sich zur Ansteuerung ein Standard-CMOS-Chip verwenden. Er zeichnet auch die Spektren auf.“ Derzeit knüpfen die Forscher beider Institute Kontakte zu weiteren Industriepartnern, um noch leistungsfähigere Spektrometer zu entwickeln.