Physik und Sensorik

www.tu-chemnitz.de/physik/EXSEChemnitz ∙ 8. Oktober 2017 ∙ Prof. Dr. Uli Schwarz

Sensoren & Anwendungen mit Miniatur-Spektrometern

Physik und Sensorik

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Miniatur-SpektrometerBeispiele von SCiO von www.consumerphysics.com

• Integriertes Nah-Infrarot (NIR) Spektrometer• Drahtlose Verbindung via Handy zum Internet• Online Datenbank von Vergleichsspektren (cloud)• Daten sofort nutzbar (kein Labor notwendig)

Anwendung in der Landwirtschaft.Bestimmung von:• Wassergehalt• Kolenhydrate• Fette

Optimierung des ErntezeitpunktsWarnung „Verkaufen oder nutzen“Warnung „trocknen“Analyse der Ernte

Physik und Sensorik

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Miniatur-Spektrometer

Anwendung Ernährung und Gesundheit

Bestimmung von:• Wassergehalt• Kolenhydrate• Fette

„Molecular sensor“

Physik und Sensorik

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Miniatur-Spektrometer

Anwendung Ernährung und Gesundheit

„Smart cup“

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Miniatur-Spektrometer

Hautanalyse und -pflege

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Miniatur-SpektrometerFitness

Body fat – measure & monitor body fat percentageHeart rate – monitor exercise intensityCore body temperature* – assess the effects of different

exercise regimes or conditionsBlood oxygen saturation - monitor & improve oxygen levelsBody hydration* – assess hydration levels & know when it’s

time to re-hydrateCompare your body metrics and

performance to communityaverages

Motivate – get community recommendations & support

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Miniatur-SpektrometerDetektion von gefälschten Medikamenten / Placebo / Generika

Messung des NIR Spektrums und Abgleich mit Datenbank

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Miniatur-SpektrometerNIR Spektralbereich: 0.8 µm bis 2.4 µm (1/𝜆𝜆 = 12000 cm-1 bis 4000 cm-1)

Vergleich eines Produktes („12“) mit seinem Generica und einer Fälschung.

Quelle: Klara Dégardin, Aurélie Guillemain, Nicole Viegas Guerreiro, Yves Roggo, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 128 (2016) 89–97

Physik und Sensorik

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Miniatur-SpektrometerNIR Spektralbereich: 0.8 µm bis 2.4 µm (1/𝜆𝜆 = 12000 cm-1 bis 4000 cm-1)

Problematik: geringe Signatur bei geringer Dosis des Wirkstoffes, wenn Spektren durch Matrix (Füllstoff) dominiert werden.

Quelle: Klara Dégardin, Aurélie Guillemain, Nicole Viegas Guerreiro, Yves Roggo, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 128 (2016) 89–97

Physik und Sensorik

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Miniatur-SpektrometerIdentifizierung der Spektren über Hauptkomponentenanalyse (principle component analysis)

Quelle: Klara Dégardin, Aurélie Guillemain, Nicole Viegas Guerreiro, Yves Roggo, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 128 (2016) 89–97

Physik und Sensorik

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Miniatur-Spektrometer

Verkauft wird eine Technologie

Kunden sind Entwickler und Anbieter in den genannten Produktsparten

Zitat von der Webseite:Si-Ware's spectrometer technology was licensed to Hamamatsu Photonics last year a non-exclusive license. Hamamatsu is now going to market with its own version of the product.

Physik und Sensorik

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MEMS Miniatur-Spektrometer

Prinzipieller Aufbau eines Gitter-Spektrometers:

Quelle: R. F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. 15 (2005) S145–S152

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Miniatur-SpektrometerMiniatur Spektrometer in MEMS Technologie für den sichtbaren Spektralbereich (VIS), von 340 nm bis 780 nm, mit 15 nm Auflösung, 256 PixelAbmessungen: 20.1 x 12.5 x 10.1 mm³

Linearer CMOS Sensor (für sichtbares Licht)

Quelle: Hamamatsu, C12666MA product flyer

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Quelle: Hamamatsu, C12666MA product flyer

MEMS Miniatur-Spektrometer

Quelle:United States Patent Pub. No.: US 2017/0167917 A1

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MEMS Miniatur-Spektrometer

Prinzip eines Fabry-Perot Interferometers

Quelle: R. F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. 15 (2005) S145–S152

Physik und Sensorik

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MEMS Miniatur-Spektrometer

Quelle: Jarkko Antila, Akseli Miranto, Jussi Mäkynen, Mari Laamanen, Anna Rissanen, Martti Blomberg, Heikki Saari and Jouko Malinen, MEMS and Piezo Actuator Based Fabry-Perot Interferometer Technologies and Applications at VTT, Proc. of SPIE Vol. 7680 76800U-1 (2010)

Fabry-Perot based MIR-FIR MEMS spectrometer

MEMS: micro electro mechanical systemNIR, MIR, FIR: near, mid, far infrared

Quelle: R. F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. 15 (2005) S145–S152

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MEMS Miniatur-SpektrometerSensor mit 15 Fabry-Perot Filtern über einem CMOS Photodioden-Array als Sensor mit intergrierten Matrix-Schaltern, Logik und Bus Interface

Quelle: R. F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. 15 (2005) S145–S152

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Literatur

Klara Dégardin, Aurélie Guillemain, Nicole Viegas Guerreiro, Yves Roggo, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 128 (2016) 89–97 http://dx.doi.org/10.1016/j.jpba.2016.05.004http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0731708516302308?via%3Dihub

R. F. Wolffenbuttel,MEMS-based optical mini- and microspectrometers for the visible and infrared spectral rangeJ. Micromech. Microeng. 15 (2005) S145–S152doi:10.1088/0960-1317/15/7/021http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/15/7/021/meta