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MEMS Fabry-Pérot-Filter
Diese durchstimmbaren Detektoren sind in einem
TO8-Gehäuse aufgebaut und enthalten neben dem spektral breitbandigen pyroelektrischen Detektor
ein MEMS Fabry-Pérot-Filter (FPF). Das FP-Filter wird mit Methoden der Volumen-Mikromechanik
gefertigt, wobei als optische Schichten SiO2 und Poly-Silizium verwendet werden.
Mikromechanisch hergestellte und elektrisch
durchstimmbare Fabry-Perot-Filter (FPF) bieten die Möglichkeit, die spektrale Auflösung
der klassischen Spektrometer mit dem einfachen und robusten Aufbau der NDIRAnalysatoren
zu verbinden.
Da die durchstimmbaren FPF direkt in die Detektorgehäuse
eingebaut werden können, ergibt sich ein enormer Miniaturisierungsvorteil [3-6]. Weitere
Vorteile sind die kostengünstige Fertigung mit den Methoden der Mikrosystemtechnik und
die relativ einfache Adaption bestehender Gerätedesigns, um schnell und mit geringem
Aufwand zu neuen messtechnischen Lösungen zu gelangen. |
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Aufbau und Kennwerte eines mikromechanischen, durchstimmbaren
Fabry-Pérot-Filters
Das klassische Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) in Bild 1 stellt einen optischen Resonator
dar, der aus zwei planparallelen Reflektoren mit dem Abstand d und dem Brechungsindex
n im Resonatorspalt gebildet wird. Die Reflektoren sind durch den spektralen
Reflexionsgrad R(l) und die spektrale Absorption A(l) charakterisiert.
Im Resonatorspalt
entstehen Vielfachinterferenzen, wobei nur die Strahlbündel transmittiert werden, welche
die Resononzbedingungung erfüllen [7]. |
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Der integrierte pyroelektrische Detektor basiert auf bewährter LiTaO3-Technologie.
Der
Detektor besitzt ein 2x2 mm² großes Sensorelement, ein ebenso großes antiparallel geschaltetes
Kompensationselement und arbeitet im Strombetrieb (Transimpedanz-
Verstärker).
Der dafür notwendige extrem rauscharme CMOS-Operationsverstärker mit
niedriger Verlustleistung ist integriert.
Der Detektor weist eine große spezifische
Detektivität von ca. 4×108 cm Hz½/W bei einer Modulationsfrequenz von 10 Hz auf. Die
minimierte Rückkoppelkapazität sorgt für eine hohe Empfindlichkeit von über 100 kV/W
und einen flachen Amplitudengang bis zu einigen zehn Hertz.
Der Detektoreingangskreis reagiert aufgrund der hohen Impedanzen sehr empfindlich auf
die Einkopplung elektrischer Störsignale.
Es war daher entscheidend, eine sorgfältige
Schirmung der Filteransteuerung gegen den Detektoreingang zu realisieren. Ein weiteres
wichtiges Detail der Detektorkonstruktion ist die mechanisch spannungsfreie Montage des
FP-Filters. |
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