Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Precision mapping

The nondestructive determination of plant total dry matter (TDM) in the field is greatly preferable to the harvest of entire plots in areas such as the Sahel where small differences in soil properties may cause large differences in crop growth within short distances. Existing equipment to nondestructively determine TDM is either expensive or unreliable. Therefore, two radiometers for measuring reflected red and near-infrared light were designed, mounted on a single wheeled hand cart and attached to a differential Global Positioning System (GPS) to measure georeferenced variations in normalized difference vegetation index (NDVI) in pearl millet fields [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.]. The NDVI measurements were then used to determine the distribution of crop TDM. The two versions of the radiometer could (i) send single NDVI measurements to the GPS data logger at distance intervals of 0.03 to 8.53 m set by the user, and (ii) collect NDVI values averaged across 0.5, 1, or 2 m. The average correlation between TDM of pearl millet plants in planting hills and their NDVI values was high (r^2 = 0.850) but varied slightly depending on solar irradiance when the instrument was calibrated. There also was a good correlation between NDVI, fractional vegetation cover derived from aerial photographs and millet TDM at harvest. Both versions of the rugged instrument appear to provide a rapid and reliable way of mapping plant growth at the field scale with a high spatial resolution and should therefore be widely tested with different crops and soil types.

Determination of yield and quality parameters of energy crops applying laboratory and field spectroscopy

A real-time analysis of renewable energy sources, such as arable crops, is of great importance with regard to an optimised process management, since aspects of ecology and biodiversity are considered in crop production in order to provide a sustainable energy supply by biomass. This study was undertaken to explore the potential of spectroscopic measurement procedures for the prediction of potassium (K), chloride (Cl), and phosphate (P), of dry matter (DM) yield, metabolisable energy (ME), ash and crude fibre contents (ash, CF), crude lipid (EE), nitrate free extracts (NfE) as well as of crude protein (CP) and nitrogen (N), respectively in pretreated samples and undisturbed crops. Three experiments were conducted, one in a laboratory using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and two field spectroscopic experiments. Laboratory NIRS measurements were conducted to evaluate to what extent a prediction of quality parameters is possible examining press cakes characterised by a wide heterogeneity of their parent material. 210 samples were analysed subsequent to a mechanical dehydration using a screw press. Press cakes serve as solid fuel for thermal conversion. Field spectroscopic measurements were carried out with regard to further technical development using different field grown crops. A one year lasting experiment over a binary mixture of grass and red clover examined the impact of different degrees of sky cover on prediction accuracies of distinct plant parameters. Furthermore, an artificial light source was used in order to evaluate to what extent such a light source is able to minimise cloud effects on prediction accuracies. A three years lasting experiment with maize was conducted in order to evaluate the potential of off-nadir measurements inside a canopy to predict different quality parameters in total biomass and DM yield using one sensor for a potential on-the-go application. This approach implements a measurement of the plants in 50 cm segments, since a sensor adjusted sideways is not able to record the entire plant height. Calibration results obtained by nadir top-of-canopy reflectance measurements were compared to calibration results obtained by off-nadir measurements. Results of all experiments approve the applicability of spectroscopic measurements for the prediction of distinct biophysical and biochemical parameters in the laboratory and under field conditions, respectively. The estimation of parameters could be conducted to a great extent with high accuracy. An enhanced basis of calibration for the laboratory study and the first field experiment (grass/clover-mixture) yields in improved robustness of calibration models and allows for an extended application of spectroscopic measurement techniques, even under varying conditions. Furthermore, off-nadir measurements inside a canopy yield in higher prediction accuracies, particularly for crops characterised by distinct height increment as observed for maize.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.