Spektrale Technologien und Systeme

Spektral abstimmbare Filter

Technischer Ansatz und Anwendung

Die elektrisch abstimmbaren optischen Bandpassfilter sind miniaturisierte Fabry-Pérot-Interferometer. Sie bestehen aus einem optischen Resonator, der zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln gebildet wird. Der Resonator überträgt nur Licht der Resonanzwellenlängen und weist daher eine sehr schmale Bandpass-Charakteristik auf. Dies ist ideal geeignet für Filteranwendungen oder die spektrale Zersetzung von Licht in Spektralsensoren oder Spektroskopie. Die Spiegel sind in eine tragende MEMS-Struktur mit elektrostatisch beweglichen Trägern integriert. Die Filterchips werden auf Waferebene aus zwei Siliziumsubstraten hergestellt. Die Fabry-Pérot-Interferometer wurden vom Fraunhofer ENAS und dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz gemeinsam mit der InfraTec GmbH entwickelt. Die InfraTec GmbH integriert die Filterchips in Detektormodule, die in der Regel in industriellen und medizinischen Gasanalysatoren sowie Warn-und Sicherheitssystemen eingesetzt werden. Das Fraunhofer ENAS und das Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz sind an weiteren Verbesserungen der abstimmbaren Filter für neue Technologien wie miniaturisierte Spektralbildsensoren und bildgebende Spektroskopie in verschiedenen Anwendungen wie Fahrzeugsensoren, Materialcharakterisierung und Landwirtschaft interessiert. Die Filter sind für sichtbares Licht (VIS), kurzwelliges Infrarot (SWIR), mittelwelliges Infrarot (MWIR) und langwelliges Infrarot (LWIR) anwendbar.

Anwendungsfelder sind grundsätzlich

  • Spektrale Sensoren und Spektroskopie (VIS, SWIR, MWIR, LWIR)
  • Spektrale Bildsensoren und bildgebende Spektroskopie (VIS, SWIR, MWIR, LWIR)

und genauer gesagt

  • Warn- und Sicherheitssysteme (z. B. für Feuerwehrleute, Bergleute, Polizei)
  • Industrielle und medizinische Gasanalysatoren
  • ATR-Sensoren
  • Sensornetze
  • Handhelds
  • Bemannte und unbemannte Fahrzeuge
  • Materialcharakterisierung
  • Landwirtschaft

Stand der Technik

Die aktuellen Filterchips für MWIR (3 bis 5 µm) und LWIR (5 bis 8 µm und 8 bis 11 µm) haben TRL 6 erreicht. Prototypen werden in einer relevanten Umgebung von der Firma InfraTec GmbH demonstriert. Filterchips für den VIS-Bereich haben TRL 4 erreicht. Die Filterchips sind sehr robust und werden nach Mil‐Std 883G, Methode 2002.4, Testbedingung B, mit 1500 g, 0,5 ms Impulsen getestet.

Vorteile im Vergleich zu Wettbewerbern

  • Kleine Größe: Die Größe des neuesten Chips beträgt 5 mm x 5 mm x 0,6 mm (Länge, Breite, Dicke).
  • Große Blende: Alle abstimmbaren Filter haben eine Blende mit einem Durchmesser von mindestens 1,9 mm.
  • Stufenlos abstimmbar: Die Bandpassfilter können kontinuierlich durch eine einzige Steuerspannung eingestellt werden.
  • Sehr geringer Stromverbrauch: Es ist kein nennenswerter Strom notwendig, um die Filter zu betätigen, nur der Ladestrom des kapazitiven MEMS-Aktors.