Zukunft Mikroanalysesystem

Ein preiswertes optisches Mikrospektrometer

Unter dem Stichwort Mikrosystemtechnik vollzieht sich zur Zeit ein bemerkenswerter technologischer Wandel: Befügelt durch die rasanten Entwicklungen in der Mikroelektronik verfolgen Arbeitsgruppen in der ganzen Welt ehrgeizig das Ziel, miniaturisierte Systeme im weitesten Sinn mit den Verfahren der Halbleiter-Technologie und neuartigen Mikrotechniken zu realisieren.

Vorsichtige Schätzungen versprechen in den nächsten Jahren ein Martvolumen von über 20 Milliarden Mark.

Aktuelle Forschungsergebnisse aus den Gebieten Sensorik und aktiven Bauelementen spiegeln dabei die Komplexitätserweiterung in der Mikroelektronik wider, also die Weiterentwicklung der reinen Mikroelektronik zu einem umfassenden Systemgedanken. Treibende Kraft ist hierbei sowohl die mit den Herstellungsprozessen der Halbleitertechnologie verbundene erhebliche Kostensenkung, als auch eine durch ein intelligentes Bauelemente-Design erzielte Multifunktionalität der Mikrosysteme. Visionär werden die Forschungsanstrengungen durch erfolgreiche Entwicklungen auf dem Gebiet der Humanbiologie unterstützt, schon in naher Zukunft die Lebensqualität erkrankter Menschen erheblich verbessern zu können. Denkbar wäre beispielsweise ein implantierbares Insulindosierungssystem für Diabetiker.

Basierend auf der weitestgehend bekannten Entwicklung von miniaturisierten Sensoren zur Aufnahme z.B. von Druck oder Beschleunigung (Airbag-Sensor) zeichnet sich, "ein Trend zu totalen Mikroanalyse-Systemen ab, die, exemplarisch genannt, die zahlreichen Bestandteile von Gasen oder Flüssigkeiten ermitteln." Aktuell stehen hierbei insbesondere vielfältige Anwendungen aus dem Bereich Umweltanalyse oder Medizintechnik im Vordergrund, nach deren Maßgabe häufig effiziente handliche und dadurch mobile "Vor-Ort-Analysesysteme" eingesetzt werden müssen.

Im Arbeitsbereich Halbleitertechnologie der TUHH werden innerhalb des Forschungsschwerpunktes Mikrosystemtechnik vorwiegend Projekte zur Entwicklung von miniaturisierten Analysesystemen für die Gas- und Flüssigkeitsmeßtechnik realisiert. Beispielhaft sei hier ein integriert-optisches Mikroanalysesystem genannt, das auf dem klassischen Prinzip der Spektralphotometrie beruht: Eine absorbierende Flüssigkeit, deren Färbung durch eine Indikatorlösung direkt Aufschluß z.B. über Verunreinigungen von Schwermetallen in Gewässern gibt, wird mit weißem Licht durchstrahlt. Das anschließend spektral aufgespaltene Licht wird mit Hilfe einer Detektorzelle selektiv bestimmt und anhand eines Datenerfassungsprogrammes ausgewertet. Wesentliche Elemente des Mikroanalysesystems sind eine mittels der Dünnschichttechnologie hergestellte Weißlicht-Lampe und eine daran angeschlossene spektrale Detektor-Einheit. Die Weißlicht-Lampe besteht aus einem 5µm X 5µm breiten und mit einem Durchmesser von 200µm ringförmig strukturierten, freischwebenden Wolfrahmdraht, der im Vakuum bei einer Temperatur von rund 2200 Grad Celsius eine beachtliche Lichtleistung aussendet. "Durch die geringe elektrische Leistungsaufnahme von ca. 50mW bei 1,2 Volt kann die Energieversorgung des Mikrosystems durch kleine Batteriezellen erfolgen", erklärt Dipl. Ing.-Dietmar Sander, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Arbeitsbereiches Halbleitertechnologie der TUHH. Die Detektoreinheit bildet ein durch hochauflösende Strukturierungstechnologie entwickeltes 20 mm langes und 5mm breites integriertes Mikrospektrometer in einem optischen Lichtwellenleiter, das durch ein Gitter die gewünschte spektrale Lichtaufspaltung auf einer Photodiodenzelle erzielt. Die auf Siliziumsubstraten als mechanischen Träger realisierten Prototypen weisen ein bemerkenswertes Leistungsvermögen bei einem im Vergleich zu kommerziellen Mikrospektrometern außerordentlich reduzierten Kostenaufwand auf. Durch eine Kleinserienfertigung wird innerhalb diesen Jahres die innovativ-industrielle Umsetzung des integriert-optischen Mikrospektrometers mit Hochdruck betrieben.

Informationen:
Arbeitsbereich Halbleitertechnologie
Prof. Dr.-Ing. Jörg Müller, Dipl.-Ing. Dietmar Sander

Tel.: 7718 - 2397