Op­ti­sche Sen­sorar­rays

Op­ti­sches Sen­sorar­ray

Durch die  zunehmende Vernetzung unterschiedlicher Systeme sind bereits in der Vergangenheit lange bestehende Grenzen in der Datenverarbeitung und Kommunikation überwunden worden. Die Auswertung großer, vorhandener Datenmengen erlaubt es heute auch komplexe Zusammenhänge schnell und sicher zu analysieren. Es ist nun nur logisch den nächsten Schritt zu gehen und analog zu den Analysesystemen auch die Sensorik zu vernetzen. So sollen in Zukunft Netze, bestehend aus vielen einzelnen, mit einander verbundenen Sensoren, Messdaten komplexer Zustände erfassen können und so bis dato nicht greifbare Phänomene der Datenanalyse zugänglich machen. Damit die Sensoren für die Verwendung in komplexen Netzwerken geeignet sind, müssen diese sehr klein und gleichzeitig kostengünstig in hoher Stückzahl herstellbar sein. Wissenschaftler des INA gehen genau aus diesem Grund neue Wege und entwickeln für die berührungsfreie Messung von Stoffkonzentrationen das optische Nanospektrometer. Konventionelle optische Spektrometer haben heute ihre Grenzen der Miniaturisierung erreicht. Der limitierende Faktor für eine weitere Miniaturisierung ist bei diesen Geräten die benötigte optische Weglänge zwischen dem dispersiven Element und der Detektorzeile. Sie bestimmt in Abhängigkeit von dem Winkel, auf den das Licht aufgespalten wird, maßgeblich die Auflösung des Spektrometers. Eine weitere Miniaturisierung verschlechtert somit unweigerlich die zu erreichende Auflösung.

Ziel der Forschungsarbeit am INA hinsichtlich dieser Technologie ist die Entwicklung eines miniaturisierten Nanospektrometers, das kostengünstig und in großer Stückzahl herstellbar ist. Darüber hinaus wird eine hohe Auflösung angestrebt, die mit konventionellen makroskopischen Technologien problemlos mithalten kann. Die Miniaturisierung wird dabei durch ein Dünnschichtsystem erreicht und ermöglicht es, Spektrometer mit extrem geringen Abmaßen herzustellen. Das so hergestellte optische Nanospektrometer wird als Feld realisiert, bestehend aus vielen einzelnen Fabry-Pérot Filtern. Die Filter befinden sich dabei auf einem handelsüblichen CMOS-Chip, wie er häufig in Kameras eingesetzt wird. Jedem aktiven Bereich des CMOS-Chips wird dabei ein Filter zugeordnet, sodass jeder Pixel eine andere Farbe bzw. Wellenlänge detektiert. Mit diesem Verfahren lassen sich, im Gegensatz zu bekannten Verfahren, optische Nanospektrometer in großer Stückzahl kostengünstig herstellen.

Die Aufzeichnung der Intensität jeder einzelnen Lichtwellenlänge (Pixel) geschieht an jedem einzelnen Filter durch die Bestimmung der Transmission der zu detektierenden Wellenlänge und der Reflexion aller übrigen Wellenlängen. Durch das sequenzielle Zusammenfügen dieser individuellen Intensitäten erhält man das Gesamtspektrum des einfallenden Lichts. Anhand der Veränderung des Spektrums lässt sich so die Konzentration des gewünschten Stoffes bestimmen.

Sensorarray