MEMS – kleinste Abmaße, größte Genauigkeit.

Die Einzelbestandteile von Mikrosystemen sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Denn Bauteile wie Schalter und Zahnräder sind kleiner als ein Sandkorn. Doch trotz dieser geringen Baugrößen bieten die so genannten »micro-electrical-mechanical systems« (MEMS) gegenüber konventionellen Makrosystemen viele Vorteile.

Was ist das Besondere an MEMS?

Viele Produkte und deren Funktionen werden durch den Einsatz von MEMS überhaupt erst möglich. Denn ihnen sind die Probleme anderer, zum Beispiel feinmechanischer, Systeme fremd: Verschleiß, Trägheit und Empfindlichkeiten gegenüber Vibrationen können komplett vermieden werden. Zudem ist ihre Herstellung geradezu prädestiniert dafür, Massenmärkte zu revolutionieren. Zwar sind für die Produktion Verfahren der Mikroelektronik erforderlich, dagegen sind die dafür aufzuwendenden Ressourcen um ein Vielfaches geringer. Mit den miniaturisierten Baugrößen verbunden sind außerdem geringe Produktionskosten sowie ein sehr geringer Energieverbrauch bei gleichzeitig robuster Ausführung.

Was macht das MEMS im Scanning-Grating-Spektrometer?

Im Herzen der Scanning-Grating-Spektrometer (SGS) von HiperScan steckt ein MEMS: das MEMS-Scanning-Grating. Der Begriff Grating stammt aus dem Englischen und lässt sich unter anderem mit Beugungsgitter übersetzen. Mithilfe eines solchen Gitters lässt sich Licht - ähnlich eines Prismas – beugen und so in sein Spektrum auffächern. Aus dem Alltag bekannt sind Beugungsgitter zum Beispiel von CDs, aber auch von Lasershows. Der in den SGS eingesetzte Chip enthält neben dem optischen Beugungsgitter auch eine Drehachse, sowie einen elektrostatischen Antrieb. Damit wird das Gitter 150 mal pro Sekunde präzise in Schwingung um seine Achse versetzt. Durch die Bewegung werden die einzelnen Wellenlängen des Lichts abgelenkt und können anschließend einzeln und nacheinander an einem Detektor vorbeigeführt und vermessen werden. Dabei gilt der physikalische Grundsatz: je langwelliger das einfallende Licht, desto stärker die Beugung.

Was konkret kann das Scanning-Grating-Spektrometer durch das MEMS?

Das MEMS-Scanning-Grating ist der Grund für viele wesentliche Vorteile:

Das Beugungsgitter im MEMS-Chip schwingt in Resonanz. Eine solche Eigenschwingung ist sehr präzise, wodurch die Wellenlängenskala sehr reproduzierbar ist.
Das schwingende Beugungsgitter wird mit einer Genauigkeit im Bereich von Mikrometern hergestellt. Sein quasi perfekt symmetrischer Aufbau trägt dazu bei, dass Bewegungen und Vibrationen des Spektrometers nicht auf die Gitterschwingung übertragen werden. Dadurch bleibt die Wellenlängenskala stabil.
Die Temperaturdrift der Wellenlängenskala ist außerordentlich gering. Das liegt daran, dass alle optischen Komponenten so klein sind, dass sie punktuell gehalten werden und in eine optische Bank aus massivem Aluminium eingebettet sind. Temperaturänderungen haben keine Auswirkungen auf die Winkel des Strahlengangs.
Die feinen Torsionsfedern, welche die Achse des schwingenden Beugungsgitters bilden, bestehen aus einkristallinem Silizium. Dadurch sind sie auch nach Milliarden von Schwingungen absolut verschleißfrei.
Die einkristallinen Torsionsfedern sind nur 5 Mikrometer breit, könnten aber weit mehr als 2.500 Beugungsgitter halten. Das macht sie auch gegen harte Stöße sehr robust.
Durch MEMS kann das gesamte Spektrum mit einem einzigen, ausgewählten Detektor gemessen werden. Die sich so ergebende gleichbleibende Qualität gilt über den gesamten Spektralbereich. Auf diese Weise wird die Erstellung übertragbarer chemometrischer Modelle, die auf allen Geräten die gleichen Ergebnisse liefern, vereinfacht.
Außerdem sind MEMS sehr klein. Deshalb sind auch die Scanning-Grating-Spektrometer trotz ihrer Leistungsfähigkeit vergleichsweise klein und können perspektivisch sogar winzig werden.