Ziel der Entwicklung
Der Brechungsindex ist ein wichtiger Materialparameter, nicht nur für optische Anwendungen. Bei Gemischen kann über den Brechungsindex die Konzentration der Anteile ermittelt werden. Insbesondere in den Lebenswissenschaften sind berührungslose, optische Verfahren von großem Vorteil, da weder Probenentnahme noch Kontaminationsrisiken entstehen.
Ziel der Entwicklung war hier ein neuer optischer Sensor zur hochgenauen Bestimmung von Brechzahländerungen, anhand derer an den Beispielen „Ethanol in Wasser“ sowie „Wassergehalt in Dimethylsulfoxid (DMSO)“ eine Konzentrationsbestimmung ermöglicht wird. Die Lösung sollte darüber hinaus tauglich für Anwendungen in einer Durchflussmesszelle sein, sodass perspektivisch Anwendungen ohne Probenentnahme adressiert werden können.
Das Messprinzip beruht nach Laseranregung auf der Korrelation von Speckle-Mustern, welche mithilfe von Bildsensoren erfasst werden. Hierfür wurden deterministische, also speziell berechnete, optische Diffusoren aus chemisch beständigem Quarzglas bzw. Fused Silica entwickelt.
Vorteile und Lösungen
Die Innovationen zum Stand der Technik sind unter anderem:
– angepasste Entwicklung für Messbereich, Auflösung, Genauigkeit, Abmessungen, Gewicht und Leistungsaufnahme für einen neuartigen optoelektronischen Brechzahlsensor
– relative Messung der Brechzahl, das heißt, es wird von einer bekannten Brechzahl ausgegangen und dann die relative Änderung gemessen, bei der anfänglichen bekannten Brechzahl ist der mögliche Bereich sehr groß
– Miniaturisierung
– Einsatz von monomodigen vertikal emittierenden Laser-Chips (VCSEL) im Gegensatz zu einem alternden HeNe-Laser
– Messzelle auch als Einweg-Lösung (Wegwerf-Lösung)
– Berechnung und Anfertigung von speziellen, nur mit Elektronenstrahllithographie Mastering zu entwickelnden Diffusoren in Form von DOEs (Diffractive Optical Elements) für den VIS-NIR-Bereich
Zur Lösung der Aufgabenstellung haben die folgenden Punkte beigetragen:
– vollständige Konzeptionen für miniaturisierte laserbasierte optoelektronische Laser-Brechzahl-Sensoren für sehr kleine Volumina an Fluid
– belastbare strahlengeometrische optische Simulationen für die neuen Laser-Brechzahl-Sensoren auf Basis von Speckle-Variation im System
– belastbare wellenoptische Simulationen (numerische Berechnung des Fresnelschen Beugungsintegrals) für die neuen Laser-Brechzahl-Sensoren auf Basis von Speckle-Variation im System
– belastbare wellenoptische Simulationen unter Einbeziehung einzelner im Projektrahmen hergestellter deterministischer Diffusoren aus Fused Silica, die nachgemessenen Oberflächenstrukturen (Laser-Scanning-Mikroskopie) wurden in die Simulationen einbezogen
– die Entwicklung, Herstellung und Bereitstellung von neuartigen deterministischen Diffusoren aus Fused Silica, die die spezielle Funktion der neuen Laser-Brechzahl-Sensoren erst ermöglichen
– die Entwicklung und Umsetzung einer kostengünstigen Herstellungstechnologie für die optoelektronischen Komponenten der Laser-Brechzahl-Sensoren
– Lösungen zur Signalverarbeitung für die neu entwickelten Laser-Brechzahl-Sensoren (vgl. auch Hauptbild)
– Untersuchungen zur Stabilität der Wellenfront der bevorzugten Emitter
– Nachweis der Funktion der entwickelten und aufgebauten Labormuster von Laser-Brechzahl-Sensoren mit Glukose / Wasser- und Ethanol / Wasser-Gemischen
Zielgruppe und Zielmarkt
Die technische Lösung des Vorhabens „Neuer Brechzahlsensor“ ist dem Markt der Messgeräte und Mikrosensoren zuzuordnen. Dieser Markt hat sich in den zurückliegenden Jahren sehr positiv entwickelt. Auch für die kommenden Jahre wird derzeit ein mittleres jährliches Wachstum um fünf Prozent erwartet. Auf Anwendungsseite ist eine deutliche Entwicklung hin zu immer höheren Automatisierungsgraden und „inline“-Messtechnik zur Prozesssteuerung und Qualitätsüberwachung zu erkennen. Diese Entwicklung benötigt entsprechende Sensoren und Messgeräte.
Das Entwicklungsziel des Vorhabens ist so angelegt, dass durch die Entwicklung und Erprobung eines neuen Brechzahlsensors (auch in Hinsicht auf die spätere serientaugliche Fertigungstechnologie) sowie die Kombination von verschiedenen ergänzenden Mikrotechnologien neue kundenspezifische Lösungen ermöglicht werden. Ziel des CiS Forschungsinstitutes ist es, die Projektergebnisse in kundenspezifische Lösungen zu überführen. Zur Zielgruppe zählen darum Unternehmen aus dem Bereich der Messtechnik und Sensorik, welche die hier entwickelten Lösungen in zukünftigen Produkten implementieren und ihren Kunden zugänglich machen wollen.
