Einsatz translatorischer MOEMS-Aktoren für FTIRSpektrometer

Abstract:
Im vorliegenden Artikel wird ein MOEMS-Translationsaktor vorgestellt, welcher speziell für den Einsatz als optischer Weglängenmodulator in miniaturisierten FTIR-Spektrometern zur zeitaufgelösten Spektroskopie im MIR-Spektralbereich entwickelt wurde. Der translatorische MOEMS-Aktor besitzt eine Spiegelfläche von 7,1 mm², sein Antrieb erfolgt elektrostatisch resonant über Inplane-Kammelektroden mit einer Resonanzfrequenz von 500 Hz. Zur Steigerung der spektralen Auflösung des FTIR-Spektrometers wurde das Design der neuartigen Spiegelaufhängung für große Amplituden von bis zu ± 250 µm Hub optimiert. Die Fertigung des MOEMS-Bauelementes erfolgte in SOI-Technologie mit einem CMOS-kompatiblen Prozess. Basierend auf dem vom Fraunhofer IPMS entwickelten MOEMS-Aktor wurde in Kooperation mit dem CTR (Villach) ein miniaturisiertes FTIR-Spektrometer realisiert. Das Systemkonzept entspricht einem klassischen MICHELSONInterferometer in doppelter Ausführung, wobei der MOEMS-Translationsspiegel zur optischen Weglängenmodulation des IR-Strahlenganges dient. Neben dem eigentlichen IR-Interferometer des FTIR-Spektrometers wurde ein zusätzliches Laserinterferometer integriert, um eine präzise Messung der momentanen Schwingungsposition des Translationsspiegels zu ermöglichen. Das FTIR-Spektrometer ist für ein Wellenlängenbereich von λ = 3…11 µm sowie eine spektrale Auflösung von ca. 10 cm-1 konzipiert. Im Weiteren wird auf spezifische Aspekte der MOEMS-Systemintegration und die resultierenden Systemeigenschaften eingegangen. Erste experimentelle Ergebnisse von Transmissionsspektren werden vorgestellt. Aufgrund der geringen Messzeit von ca. 2 ms (pro Einzelspektrum) ermöglicht das vorgestellte MOEMS basierte FTIR-Spektrometer vielfältige neue Anwendungsgebiete z. B. zur zeitaufgelösten Prozessanalytik von schnell ablaufenden chemischen Reaktionen in industrieller Umgebung.