MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Sensorische Erfassung von Grünlandbiomassen als Grundlage für ein teilflächenspezifisches Management im Ökologischen Landbau

Vor dem Hintergund der Integration des wissensbasierten Managementsystems Precision Farming in den Ökologischen Landbau wurde die Umsetzung bestehender sowie neu zu entwickelnder Strategien evaluiert und diskutiert. Mit Blick auf eine im Precision Farming maßgebende kosteneffiziente Ertragserfassung der im Ökologischen Landbau flächenrelevanten Leguminosen-Grasgemenge wurden in zwei weiteren Beiträgen die Schätzgüten von Ultraschall- und Spektralsensorik in singulärer und kombinierter Anwendung analysiert. Das Ziel des Precision Farming, ein angepasstes Management bezogen auf die flächeninterne Variabilität der Standorte umzusetzen, und damit einer Reduzierung von Betriebsmitteln, Energie, Arbeit und Umwelteffekten bei gleichzeitiger Effektivitätssteigerung und einer ökonomischen Optimierung zu erreichen, deckt sich mit wesentlichen Bestrebungen im Ökogischen Landbau. Es sind vorrangig Maßnahmen zur Erfassung der Variabilität von Standortfaktoren wie Geländerelief, Bodenbeprobung und scheinbare elektrische Leitfähigkeit sowie der Ertragserfassung über Mähdrescher, die direkt im Ökologischen Landbau Anwendung finden können. Dagegen sind dynamisch angepasste Applikationen zur Düngung, im Pflanzenschutz und zur Beseitigung von Unkräutern aufgrund komplexer Interaktionen und eines eher passiven Charakters dieser Maßnahmen im Ökologischen Landbau nur bei Veränderung der Applikationsmodelle und unter Einbindung weiterer dynamischer Daten umsetzbar. Beispiele hiefür sind einzubeziehende Mineralisierungsprozesse im Boden und organischem Dünger bei der Düngemengenberechnung, schwer ortsspezifisch zuzuordnende präventive Maßnamen im Pflanzenschutz sowie Einflüsse auf bodenmikrobiologische Prozesse bei Hack- oder Striegelgängen. Die indirekten Regulationsmechanismen des Ökologischen Landbaus begrenzen daher die bisher eher auf eine direkte Wirkung ausgelegten dynamisch angepassten Applikationen des konventionellen Precision Farming. Ergänzend sind innovative neue Strategien denkbar, von denen die qualitätsbezogene Ernte, der Einsatz hochsensibler Sensoren zur Früherkennung von Pflanzenkrankheiten oder die gezielte teilflächen- und naturschutzorientierte Bewirtschaftung exemplarisch in der Arbeit vorgestellt werden. Für die häufig große Flächenanteile umfassenden Leguminosen-Grasgemenge wurden für eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Ertragserfassung die Ultraschalldistanzmessung zur Charakterisierung der Bestandeshöhe sowie verschiedene spektrale Vegetationsindices als Schätzindikatoren analysiert. Die Vegetationsindices wurden aus hyperspektralen Daten nach publizierten Gleichungen errechnet sowie als „Normalized Difference Spectral Index“ (NDSI) stufenweise aus allen möglichen Wellenlängenkombinationen ermittelt. Die Analyse erfolgte für Ultraschall und Vegetationsindices in alleiniger und in kombinierter Anwendung, um mögliche kompensatorische Effekte zu nutzen. In alleiniger Anwendung erreichte die Ultraschallbestandeshöhe durchweg bessere Schätzgüten, als alle einzelnen Vegetationsindices. Bei den letztgenannten erreichten insbesondere auf Wasserabsorptionsbanden basierende Vegetationsindices eine höhere Schätzgenauigkeit als traditionelle Rot/Infrarot-Indices. Die Kombination beider Sensorda-ten ließ eine weitere Steigerung der Schätzgüte erkennen, insbesondere bei bestandesspezifischer Kalibration. Hierbei kompensieren die Vegetationsindices Fehlschätzungen der Höhenmessung bei diskontinuierlichen Bestandesdichtenänderungen entlang des Höhengradienten, wie sie beim Ährenschieben oder durch einzelne hochwachsende Arten verursacht werden. Die Kombination der Ultraschallbestandeshöhe mit Vegetationsindices weist das Potential zur Entwicklung kostengünstiger Ertragssensoren für Leguminosen-Grasgemenge auf. Weitere Untersuchungen mit hyperspektralen Vegetationsindices anderer Berechnungstrukturen sowie die Einbindung von mehr als zwei Wellenlängen sind hinsichtlich der Entwicklung höherer Schätzgüten notwendig. Ebenso gilt es, Kalibrierungen und Validationen der Sensorkombination im artenreichen Grasland durchzuführen. Die Ertragserfassung in den Leguminosen-Grasgemengen stellt einen wichtigen Beitrag zur Erstellung einer Ertragshistorie in den vielfältigen Fruchtfolgen des Ökologischen Landbaus dar und ermöglicht eine verbesserte Einschätzung von Produktionspotenzialen und Defizitarealen für ein standortangepasstes Management.

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.