Integration optischer Filter mit strukturierten mikromechanisch abstimmbaren Sensor-Arrays mittels Dünnschichtdeposition und Nanostrukturierung

Weitreichende und moderne medizinische Versorgung gehört heute zu einem guten Lebensstandard. Zur Schaffung einer flächendeckenden exzellenten Versorgung, unabhängig von der Umgebung, werden vermehrt Assistenzsysteme (Ambient Assisted Living) entwickelt und in den Lebensraum integriert. Neben der Kontrolle der Haustechnik ist besonders die Überwachung der eigenen Gesundheit von großer Bedeutung, um die medizinische Versorgung in ländlicher Umgebung wesentlich verbessern zu können. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines miniaturisierten Spektrometers für die Detektion im sichtbaren Spektralbereich. Basierend auf optischen Sensoren werden so nicht-invasive Messungen zahlreicher Biomarker und Inhaltsstoffe in der Haut sowie im Blut ermöglicht. In Verbindung mit der elektronischen Übertragung an einen Mediziner ist damit eine direkte Reaktion auf auffällige gesundheitliche Veränderungen möglich. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieser Systeme, die bei starker Miniaturisierung ein hohes Auflösungsvermögen zeigen, ist die Verwendung von Fabry-Pérot-Filtersystemen. Die Miniaturisierung hat hier wenig Einfluss auf das Auflösungsvermögen, wie es bei gitterbasierten Filtersystemen der Fall ist. Werden dynamische Fabry-Pérot-Systeme eingesetzt, sind durch Scannen eines definierten Spektralbereichs unterschiedliche Substanzen mit einem einzigen Filter detektierbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Design des dynamischen Fabry-Pérot-Filtersystems simuliert, entwickelt und mittels Dünnschichtdeposition und Nanostrukturierung umgesetzt. Ein Schwerpunkt ist dabei die Reduzierung der inneren Schichtspannungen, die die mechanischen Eigenschaften des Systems und damit das Durchstimmen des Filtersystems negativ beeinträchtigen. Es werden sowohl die Verspannung der hochreflektierenden Spiegelschichten (Distributed Bragg Reflektoren) als auch der Gesamtaufbau des Filtersystems hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften betrachtet. Die Charakterisierung der Filter erfolgt durch ein in der Arbeitsgruppe speziell entwickeltes Mikroskopspektrometer, welches ein Durchstimmen der Filter durch eine anliegende Spannung bei gleichzeitiger Aufnahme optischer Spektren ermöglicht. Hinsichtlich der Performance des in der Arbeitsgruppe bestehenden Filtersystems konnte eine deutliche Verbesserung der mechanischen sowie optischen Eigenschaften des miniaturisierten Spektrometers erreicht werden. Weitere Entwicklungen dieser Arbeit betreffen die Schnittstelle zwischen dem Fabry-Pérot-Filtersystem und dem Detektor im Gesamtsystem 'Nanospektrometer'. Es wird dabei eine Möglichkeit aufgezeigt, das Filtersystem so mit einem optischen Filter zu kombinieren, dass für jedes individuelle Filter ein handelsüblicher Detektor mit einer hohen Fotosensitivität über einen breiten Spektralbereich Verwendung finden kann, ohne Einbußen beim Auflösungsvermögen zu verzeichnen.