Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6964

Entwicklung von miniaturisierten Fourier-Transformations-Spektrometern und ihre Herstellung mit dem LIGA-Verfahren

C. Solf

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden miniaturisierte Fourier-Transformations-Spektrometer auf Basis der LIGA-Technik für den mobilen Einsatz im nahen Infrarotbereich entwickelt.

Einleitend wird ein kurzer Überblick über verschiedene Ansätze zur Entwicklung miniaturisierter Spektrometer für den nahen Infrarotbereich gegeben. Im Anschluss daran werden ausführlich die theoretischen Grundlagen für die Entwicklungvon Fourier-Transformations-Spektrometern dargestellt.

Ausgehendvon den theoretischen Grundlagen werden zwei Konzepte für miniaturisierte Fourier-Transformations-Spektrometer erarbeitet. Herzstück der Spektrometer ist jeweils ein Michelson-Interferometer, das aus einer mikrooptischen Bank und einem integrierten Aktor besteht. Die benötigten optischen und elektronischen Komponenten wie Linsen, Strahlteiler und Dioden werden in die mikrooptische Bank eingesetzt und durch Anschläge positioniert. Die Spektrometer zeichnen sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus. Sämtliche für die Funktionalität des Spektrometers benötigten Komponenten sind auf einem etwa 10 x 10 mm2 großen Chip integriert. Aufgrund der hohen Präzision der LIGA-Strukturen kann die Montage der hybrid integrierten Komponenten rein passiv erfolgen.

Für die Aktoren wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt, zum einen ein neuartiger piezobasierter Inchworm-Antrieb, zum anderen ein elektromagnetischer Aktor. Die Gestaltung der optischen Bänke und der Aktoren wird ausführlich dargestellt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Konstruktion des elektromagnetischen Aktors, für dessen Berechnung analytische und numerische Modelle verwendet wurden. Ein weiterer Schwerpunkt der Konstruktion lag auf dem Aspekt der fertigungsgerechten Gestaltung der LIGA-Komponenten. Dafür wurde die zum Thema vorhandene Literatur ausgewertet und die Systeme entsprechend den dort vorgeschlagenen Entwurfsregeln gestaltet. Die angewandten Entwurfsregeln werden erläutert.

Die Fertigung beider Systeme wird detailliert beschrieben. Der Schwerpunkt der Beschreibung liegt auf den Prozesschritten, die für die Fertigung der Spektrometer modifiziert bzw. neu entwickelt werden mussten. Die Fertigung der Prototypen erfolgte direktlithographisch. Eine Methode, die Spektrometer kostengünstig mittels Abformung und anschließender Galvanik herzustellen, wurde untersucht. Für das Spektrometer mit elektromagnetischem Antrieb wurde dazu ein Formeinsatz hergestellt. In ersten orientierenden Versuchen gelang es Nickel-Eisen Strukturen des Spektrometers durch Abformung und anschließende Galvanik herzustellen.

Die Funktionsfähigkeit der Spektrometer konnte nachgewiesen werden. Es gelang dabei, Spektren von Laserlicht und Weißlicht aufzunehmen. Die erreichte Auflösung betrug 24,5 nm. Die optische Auflösung wird bei den gefertigten Prototypen durch den Weg begrenzt, um den sich der integrierte Aktor kontrolliert verfahren lässt. Der integrierte Aktor zeigte im Experimentein Schaltverhalten, das den nutzbaren Verfahrwegaufetwa 60 µm begrenzt. Das Verhalten des Aktors wurde analysiert und anhand eines analytischen Modells erklärt. Ein Vergleich mit experimentell ermittelten Daten zeigt dabei eine gute Übereinstimmung zwischen berechneten und praktisch gemessenen Werten.

Development of Miniaturised Fourier Transformation Spectrometers and their Fabrication with LIGA technology.

Abstract
In this work miniaturised Fourier Transformation Spectrometers have been developed. They are based on LIGA technology and designed for mobile applications in the near infrared spectrum.

First a short overview about different concepts for miniaturised near infrared spectrometers is given. Then the theory needed for the design of Fourier Transformation Spectrometers is discussed in detail.

Following the chapter about the theoretical basics, two concepts of miniaturised Fourier Transformation Spectrometers are introduced. Both spectrometers are basically Michelson Interferometers which consist of a micro-optical bench with an integrated actuator. The optical benches and actuator are produced with LIGA technology. The spectrometers are very compact. All required components are placed on a 10 x 10 mm2 substrate. The needed optical and electronic components such as lenses, beam splitters and diodes are assembled into the optical bench. The components are positioned by alignment structures. Due to the precision of the LIGA produced alignment structures there is no need for an active alignment.

Two concepts were investigated for the actuators. One a novel piezo based inchworm actuator. The second an electromagnetic actuator. The design of the optical benches and both actuator types are described in detail. Special emphasis is placed on the description of the electromagnetic actuator. The different analytical and numerical models used to design the actuator are presented. Also manufacturability considerations of the LIGA components are addressed. The design rules used are explained in detail.

Both systems manufacturing methods are presented. Emphasis is placed on the manufacturing steps which hadto be modifiedor developed for spectrometer manufacturing. The prototype manufacturing was carried out using synchrotron radiation, a process which is called direct LIGA. A low cost manufacturing method using replication techniques was investigated. For this a mold insert was manufactured for the system with the electromagnetic actuator. Initial nickel iron structures made through replication and subsequent electroplating are presented.

The functionality of the spectrometers was demonstrated. Spectra could be recorded for laser and with white light sources. The best resolution achieved was 24,5 nm. The optical resolution is currently limited by the maximum optical path difference achieved with the integrated actuator. The maximum usable travel of the actuator was 60 µm. For larger travels the actuator showed an unwanted switching behaviour. The performance of the actuator was tested and an analytical model for the switching behaviour was established. Measurements show good agreement between the model and experimental data.

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