Was sind MEMS?

MEMS (micro-electro-mechanical systems) sind gewissermaßen Computerchips, auf denen nicht nur Ströme fließen, sondern auf denen sich auch etwas bewegt. Sie werden mit den Verfahren der Mikroelektronik hergestellt und haben folglich kleinste Abmessungen.
MEMS werden von vielen auch Mikrosysteme genannt. Seit kurz vor der Jahrtausendwende haben sie den Weg in eine Reihe von Massenprodukten gefunden, darunter Reifendruck- und Öldrucksensoren in Autos, Lage-, Beschleunigungs- und Drehratensensoren in Smartphones, Bildgeber in DLP-Beamern und inzwischen auch Mikrophone in Smartphones.

Was ist das Besondere an MEMS?

MEMS machen viele Produkte und deren Funktionen erst möglich. Sie sind klein und leicht genug, günstig herstellbar, erreichen die notwendige Leistungsfähigkeit, verbrauchen sehr wenig Energie oder können robust genug ausgelegt werden. Außerdem sind ihnen oft die Probleme feinmechanischer System fremd: Verschleiß, Trägheit und Vibrationsempfindlichkeit können komplett vermieden werden.

Was macht das MEMS im Scanning-Grating-Spektrometer?

Im Herzen der Scanning-Grating-Spektrometer von HiperScan steckt auch ein MEMS, eben das MEMS-Scanning-Grating. Dieser Chip enthält ein optisches Beugungsgitter, eine Drehachse für das Gitter und einen elektrostatischen Antrieb, der das Gitter 150 mal in der Sekunde präzise um die Achse schwingen lässt.
Das Beugungsgitter fächert das Licht auf, denn je langwelliger das einfallende Licht ist, desto stärker wird es gebeugt. Durch die Schwingung des Beugungsgitters wird jede Wellenlänge einzeln an einen Detektor vorbeigeführt und nacheinander vermessen.

Welche Vorteile bringt das MEMS für das Scanning-Grating-Spektrometer?

Die MEMS-Scanning-Grating lassen die Czerny-Turner-Spektrometer wieder aufleben, die über 50 Jahre lang wegweisend waren. Czerny-Turner-Spektrometer bestehen aus einem Eingangs- und einem Ausgangsspalt im Brennpunkt jeweils eines Hohlspiegels. Dazwischen steht ein verdrehbares Beugungsgitter. Der Drehwinkel wurde durch eine feinmechanische Konstruktion mit präzisem Winkelmesser eingestellt. Diese feinmechanische Lösung war teuer, schwer, langsam und empfindlich.
Um die Präzisionsmechanik zu vermeiden, hat man begonnen, sich für jede Wellenlänge einen eigenen Detektor zu leisten. Solche Diodenzeilen tragen meist 128 oder 256 Detektoren nebeneinander in einem Bauelement. Für den interessanten Teil des NIR-Spektrums müssen diese Diodenzeilen jedoch aus Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) hergestellt werden. InGaAs-Zeilen sind recht teuer und die einzelnen Pixel sind unterschiedlich gut.
Mit dem MEMS-Scanning-Grating ist es HiperScan möglich, die Nachteile der feinmechanischen Dreheinrichtung für das Gitter zu umgehen und kleine, schnelle, günstige und robuste NIR-Spektrometer nach dem Czerny-Turner-Prinzip zu bauen.

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

Das MEMS-Scanning-Grating ist der Grund für eine ganze Reihe von Stärken:

• Das Beugungsgitter im MEMS-Chip schwingt in Resonanz. Solch eine Eigenschwingung ist sehr präzise. Dadurch ist die Wellenlängenskala sehr reproduzierbar.
• Das schwingende Beugungsgitter wird in Mikrometergenauigkeit hergestellt und ist quasi perfekt symmetrisch. Das trägt dazu bei, dass Bewegungen und Vibrationen des Spektrometers nicht auf die Gitterschwingung übersprechen. Die Wellenlängenskala bleibt 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 einem Material (massives Aluminium) eingebettet sind. Temperaturausdehnungen verändern keine Winkel des Strahlengangs und halten die Wellenlängenskale stabil.
• 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.
• Da das MEMS alle Stärken des Czerny-Turner-Spektrometers kompromisslos hervorhebt, kann das gesamte Spektrum mit einem einzigen, ausgewählten Detektor gemessen werden. Das ergibt eine gleichbleibende Qualität über den gesamten Spektralbereich. Das wiederum erleichtert es ungemein, übertragbare chemometrische Modelle zu erstellen, die auf allen Geräten die gleichen Ergebnisse liefern.
• Außerdem sind MEMS sehr klein. Deshalb sind auch die Scanning-Grating-Spektrometer trotz ihrer Leistungsfähigkeit vergleichsweise klein und können perspektivisch sogar winzig werden.