Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

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.

Analytical methodologies based on X-Ray Fluorescence Spectrometry (XRF) and Inductively Couple Plasma Spectroscopy (ICP) for the assessment of metal dispersal around mining environments

La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en l'aplicació i millora de metodologies analítiques existents i el desenvolupament de nous procediments que poden ser utilitzats per a l'estudi dels efectes ambientals de la dispersió dels metalls entorn a les zones mineres abandonades. En primer lloc, es van aplicar diferents procediments d'extracció simple i seqüencial per a estudiar la mobilitat, perillositat i bio-disponibilitat dels metalls continguts en residus miners de característiques diferents. Per altra banda, per a estudiar les fonts potencials de Pb en la vegetació de les zones mineres d'estudi, una metodologia basada en la utilització de les relacions isotòpiques de Pb determinades mitjançant ICP-MS va ser avaluada. Finalment, tenint en compte l'elevat nombre de mostres analitzades per a avaluar l'impacte de les activitats mineres, es va considerar apropiat el desenvolupament de mètodes analítics d'elevada productivitat. En aquest sentit la implementació d'estratègies quantitatives així com l'aplicació de les millores instrumentals en els equips de XRF han estat avaluades per a aconseguir resultats analítics fiables en l'anàlisi de plantes. A més, alguns paràmetres de qualitat com la precisió, l'exactitud i els límits de detecció han estat curosament determinats en les diverses configuracions de espectròmetres de XRF utilitzats en el decurs d'aquest treball (EDXRF, WDXRF i EDPXRF) per a establir la capacitat de la tècnica de XRF com a tècnica alternativa a les clàssiques comunament aplicades en la determinació d'elements en mostres vegetals.

Evaluation of suitable spectral intervals for near-IR laboratory detection of water vapour continuum absorption

The water vapour continuum absorption is an important component of molecular absorption of radiation in atmosphere. However, uncertainty in knowledge of the value of the continuum absorption at present can achieve 100% in different spectral regions leading to an error in flux calculation up to 3-5 W/m2 global mean. This work uses line-by-line calculations to reveal the best spectral intervals for experimental verification of the CKD water vapour continuum models in the currently least studied near-infrared spectral region. Possible sources of errors in continuum retrieval taken into account in the simulation include the sensitivity of laboratory spectrometers and uncertainties in the spectral line parameters in HITRAN-2004 and Schwenke-Partridge database. It is shown that a number of micro-windows in near-IR can be used at present for laboratory detection of the water vapour continuum with estimated accuracy from 30 to 5%.

Achieving accurate FTIR measurements on high performance bandpass filters

The sources of ordinate error in FTIR spectrometers are reviewed with reference to measuring small out-of-band features in the spectra of bandpass filters. Procedures for identifying instrumental artefacts are described. It is shown that features well below 0.01%T can be measured reliably.

Vibration-rotation spectra of monofluoroacetylene: 1700 to 7500 cm−1

High-resolution vibration-rotation spectra of monofluoroacetylene are reported for many bands in the region 1700 to 7500 cm−1. The spectra were observed on Nicolet 7199 and Bruker IFS 120 Fourier spectrometers, with resolutions of about 0.06 and 0.003 cm−1, respectively. About 130 bands have been observed in this region, of which about 80 have been rotationally analyzed. The assignment of vibrational labels to the higher energy levels is complicated by the effects of strong Fermi resonances, and many weak localized rotational resonances are observed.

Optimal discrimination and classification of THz spectra in the wavelet domain

In rapid scan Fourier transform spectrometry, we show that the noise in the wavelet coefficients resulting from the filter bank decomposition of the complex insertion loss function is linearly related to the noise power in the sample interferogram by a noise amplification factor. By maximizing an objective function composed of the power of the wavelet coefficients divided by the noise amplification factor, optimal feature extraction in the wavelet domain is performed. The performance of a classifier based on the output of a filter bank is shown to be considerably better than that of an Euclidean distance classifier in the original spectral domain. An optimization procedure results in a further improvement of the wavelet classifier. The procedure is suitable for enhancing the contrast or classifying spectra acquired by either continuous wave or THz transient spectrometers as well as for increasing the dynamic range of THz imaging systems. (C) 2003 Optical Society of America.

Multiplexed quantitative proteomics using differential metabolic 15N-labeling

There are several advantages of using metabolic labeling in quantitative proteomics. The early pooling of samples compared to post-labeling methods eliminates errors from different sample processing, protein extraction and enzymatic digestion. Metabolic labeling is also highly efficient and relatively inexpensive compared to commercial labeling reagents. However, methods for multiplexed quantitation in the MS-domain (or ‘non-isobaric’ methods), suffer from signal dilution at higher degrees of multiplexing, as the MS/MS signal for peptide identification is lower given the same amount of peptide loaded onto the column or injected into the mass spectrometer. This may partly be overcome by mixing the samples at non-uniform ratios, for instance by increasing the fraction of unlabeled proteins. We have developed an algorithm for arbitrary degrees of nonisobaric multiplexing for relative protein abundance measurements. We have used metabolic labeling with different levels of 15N, but the algorithm is in principle applicable to any isotope or combination of isotopes. Ion trap mass spectrometers are fast and suitable for LC-MS/MS and peptide identification. However, they cannot resolve overlapping isotopic envelopes from different peptides, which makes them less suitable for MS-based quantitation. Fourier-transform ion cyclotron resonance (FTICR) mass spectrometry is less suitable for LC-MS/MS, but provides the resolving power required to resolve overlapping isotopic envelopes. We therefore combined ion trap LC-MS/MS for peptide identification with FTICR LC-MS for quantitation using chromatographic alignment. We applied the method in a heat shock study in a plant model system (A. thaliana) and compared the results with gene expression data from similar experiments in literature.

Single-cell proteomic analysis of glucosinolate-rich S-cells in Arabidopsis thaliana

Single-cell analysis is essential for understanding the processes of cell differentiation and metabolic specialisation in rare cell types. The amount of single proteins in single cells can be as low as one copy per cell and is for most proteins in the attomole range or below; usually considered as insufficient for proteomic analysis. The development of modern mass spectrometers possessing increased sensitivity and mass accuracy in combination with nano-LC-MS/MS now enables the analysis of single-cell contents. In Arabidopsis thaliana, we have successfully identified nine unique proteins in a single-cell sample and 56 proteins from a pool of 15 single-cell samples from glucosinolate-rich S-cells by nanoLC-MS/MS proteomic analysis, thus establishing the proof-of-concept for true single-cell proteomic analysis. Dehydrin (ERD14_ARATH), two myrosinases (BGL37_ARATH and BGL38_ARATH), annexin (ANXD1_ARATH), vegetative storage proteins (VSP1_ARATH and VSP2_ARATH) and four proteins belonging to the S-adenosyl-l-methionine cycle (METE_ARATH, SAHH1_ARATH, METK4_ARATH and METK1/3_ARATH) with associated adenosine kinase (ADK1_ARATH), were amongst the proteins identified in these single-S-cell samples. Comparison of the functional groups of proteins identified in S-cells with epidermal/cortical cells and whole tissue provided a unique insight into the metabolism of S-cells. We conclude that S-cells are metabolically active and contain the machinery for de novo biosynthesis of methionine, a precursor for the most abundant glucosinolate glucoraphanine in these cells. Moreover, since abundant TGG2 and TGG1 peptides were consistently found in single-S-cell samples, previously shown to have high amounts of glucosinolates, we suggest that both myrosinases and glucosinolates can be localised in the same cells, but in separate subcellular compartments. The complex membrane structure of S-cells was reflected by the presence of a number of proteins involved in membrane maintenance and cellular organisation.

Multivariate analysis of the dielectric response of materials modeled using networks of resistors and capacitors

We discuss the modeling of dielectric responses of electromagnetically excited networks which are composed of a mixture of capacitors and resistors. Such networks can be employed as lumped-parameter circuits to model the response of composite materials containing conductive and insulating grains. The dynamics of the excited network systems are studied using a state space model derived from a randomized incidence matrix. Time and frequency domain responses from synthetic data sets generated from state space models are analyzed for the purpose of estimating the fraction of capacitors in the network. Good results were obtained by using either the time-domain response to a pulse excitation or impedance data at selected frequencies. A chemometric framework based on a Successive Projections Algorithm (SPA) enables the construction of multiple linear regression (MLR) models which can efficiently determine the ratio of conductive to insulating components in composite material samples. The proposed method avoids restrictions commonly associated with Archie’s law, the application of percolation theory or Kohlrausch-Williams-Watts models and is applicable to experimental results generated by either time domain transient spectrometers or continuous-wave instruments. Furthermore, it is quite generic and applicable to tomography, acoustics as well as other spectroscopies such as nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance and, therefore, should be of general interest across the dielectrics community.

Complex extreme learning machine applications in terahertz pulsed signals feature sets

This paper presents a novel approach to the automatic classification of very large data sets composed of terahertz pulse transient signals, highlighting their potential use in biochemical, biomedical, pharmaceutical and security applications. Two different types of THz spectra are considered in the classification process. Firstly a binary classification study of poly-A and poly-C ribonucleic acid samples is performed. This is then contrasted with a difficult multi-class classification problem of spectra from six different powder samples that although have fairly indistinguishable features in the optical spectrum, they also possess a few discernable spectral features in the terahertz part of the spectrum. Classification is performed using a complex-valued extreme learning machine algorithm that takes into account features in both the amplitude as well as the phase of the recorded spectra. Classification speed and accuracy are contrasted with that achieved using a support vector machine classifier. The study systematically compares the classifier performance achieved after adopting different Gaussian kernels when separating amplitude and phase signatures. The two signatures are presented as feature vectors for both training and testing purposes. The study confirms the utility of complex-valued extreme learning machine algorithms for classification of the very large data sets generated with current terahertz imaging spectrometers. The classifier can take into consideration heterogeneous layers within an object as would be required within a tomographic setting and is sufficiently robust to detect patterns hidden inside noisy terahertz data sets. The proposed study opens up the opportunity for the establishment of complex-valued extreme learning machine algorithms as new chemometric tools that will assist the wider proliferation of terahertz sensing technology for chemical sensing, quality control, security screening and clinic diagnosis. Furthermore, the proposed algorithm should also be very useful in other applications requiring the classification of very large datasets.

Triple- and quadruple-escape peaks in HPGe detectors: Experimental observation and Monte Carlo simulation

The triple- and quadruple-escape peaks of 6.128 MeV photons from the (19)F(p,alpha gamma)(16)O nuclear reaction were observed in an HPGe detector. The experimental peak areas, measured in spectra projected with a restriction function that allows quantitative comparison of data from different multiplicities, are in reasonably good agreement with those predicted by Monte Carlo simulations done with the general-purpose radiation-transport code PENELOPE. The behaviour of the escape intensities was simulated for some gamma-ray energies and detector dimensions; the results obtained can be extended to other energies using an empirical function and statistical properties related to the phenomenon. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Statistical analysis of the Doppler broadening coincidence spectrum of electron-positron annihilation radiation in silicon

We report a statistical analysis of Doppler broadening coincidence data of electron-positron annihilation radiation in silicon using a (22)Na source. The Doppler broadening coincidence spectrum was fit using a model function that included positron annihilation at rest with 1s, 2s, 2p, and valence band electrons. In-flight positron annihilation was also fit. The response functions of the detectors accounted for backscattering, combinations of Compton effects, pileup, ballistic deficit, and pulse-shaping problems. The procedure allows the quantitative determination of positron annihilation with core and valence electron intensities as well as their standard deviations directly from the experimental spectrum. The results obtained for the core and valence band electron annihilation intensities were 2.56(9)% and 97.44(9)%, respectively. These intensities are consistent with published experimental data treated by conventional analysis methods. This new procedure has the advantage of allowing one to distinguish additional effects from those associated with the detection system response function. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Gamma transition intensity determination using multidetector coincidence data

This work describes two similar methods for calculating gamma transition intensities from multidetector coincidence measurements. In the first one, applicable to experiments where the angular correlation function is explicitly fitted, the normalization parameter from this fit is used to determine the gamma transition intensities. In the second, that can be used both in angular correlation or DCO measurements, the spectra obtained for all the detector pairs are summed up, in order to get the best detection statistics possible, and the analysis of the resulting bidimensional spectrum is used to calculate the transition intensities; in this method, the summation of data corresponding to different angles minimizes the influence of the angular correlation coefficient. Both methods are then tested in the calculation of intensities for well-known transitions from a (152)Eu standard source, as well as in the calculation of intensities obtained in beta-decay experiments with (193)Os and (155)Sm sources, yielding excellent results in all these cases. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Parametric analysis of discrepant sets of data

In this paper a new parametric method to deal with discrepant experimental results is developed. The method is based on the fit of a probability density function to the data. This paper also compares the characteristics of different methods used to deduce recommended values and uncertainties from a discrepant set of experimental data. The methods are applied to the (137)Cs and (90)Sr published half-lives and special emphasis is given to the deduced confidence intervals. The obtained results are analyzed considering two fundamental properties expected from an experimental result: the probability content of confidence intervals and the statistical consistency between different recommended values. The recommended values and uncertainties for the (137)Cs and (90)Sr half-lives are 10,984 (24) days and 10,523 (70) days, respectively. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.