Design and Implementation of Novel Optical Fabry-Pérot Arrays for Medical Applications
| dc.date.accessioned | 2024-05-27T12:10:56Z | |
| dc.date.available | 2024-05-27T12:10:56Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-2024052010163 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/15782 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Attribution-NoDerivatives 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/ | * |
| dc.subject | Abstimmbare Optische Filter | ger |
| dc.subject | Miniaturisierung | ger |
| dc.subject | MEMS | ger |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Design and Implementation of Novel Optical Fabry-Pérot Arrays for Medical Applications | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Optical sensing systems find a wide range of applications, especially in the medical field, for intelligent, patient-operated health monitoring and early diagnosis, facilitating immediate responses to warnings. Advances in technology have enabled sensors miniaturization with spectrometers using low-cost Fabry-Pérot filters, allowing integration into mobile phones and wearable devices without compromising their resolution. The challenge in filter fabrication is deforming supporting posts deformation during polymer cavity underetching to release the top membrane, because the polymer acts partly as supporting posts. This thesis proposes a solution by fabricating structured cavity filter, where the polymer acts only as a sacrificial layer. Different approaches were explored to structure the cavity polymer and support layer. The issue of falling the top Distributed Bragg Reflector DBR addressed and a solution proposed and implemented involving filters with larger top mesa diameter. Two photomasks were designed using CAD software for structured cavity and larger top mesa. The fabrication steps for realizing the entire filter structure were detailed, resulting in filters without supporting post deformation and avoiding top DBR falling. Electrostatic DC actuation was performed on structured cavity filters with various suspension geometries and membrane sizes working in the visible range. An example, a 3-straight-suspension filter with a 70 μm membrane diameter showed a tuning range of 58 nm for 20 V, with 45% transmittance and a 10 nm FWHM. In addition, a numerical simulation based on Finite Element Method FEM was conducted to investigate the initial displacement and electrostatic actuation of the top membrane. Results showed that increasing the top mesa diameter significantly reduced the initial displacement of the top membrane by more than half compared to the previous design. For example, a 3-straight-suspension filter with a 40 μm membrane and a 36 μm top mesa diameter showed initial displacement decrease by 333 nm (≈ 65%), from 506 nm to 173 nm, compared to a 30 μm top mesa diameter. During electrostatic actuation, displacement reduction in filters with larger top mesa diameters was minimal. | eng |
| dcterms.abstract | Optische Sensorsysteme werden vor allem im medizinischen Bereich für intelligente, patientengesteuerte Überwachung und Frühdiagnose genutzt, was schnelle Reaktionen ermöglicht. Technologische Fortschritte erlauben die Produktion miniaturisierten Spektrometern mit kostengünstigen Fabry-Pérot-Filtern, die ohne Auflösungsverlust in Handys und tragbare Geräte integriert werden können. Eine Herausforderung bei der Filterherstellung ist die Deformation der Haltepfosten während des Unterätzens der Polymerkavität, um die obere Membran freizugeben, da das Polymer teilweise als Haltepfosten fungiert. Diese Arbeit schlägt eine Lösung vor, indem ein Filter mit strukturierter Kavität hergestellt wird, bei dem das Polymer nur als Opferschicht dient. Es wurden verschiedene Ansätze untersucht, um die Polymerkavität und die Unterstützungsschicht zu strukturieren. Das Problem des Herunterfallens des oberen Distributed-Bragg-Reflector DBR wurde angesprochen und eine Lösung vorgeschlagen und umgesetzt, die Filter mit einem größeren Durchmesser der oberen Mesa umfasst. Zwei Fotomasken wurden mit CAD-Software für strukturierte Kavität und größere obere Mesa entworfen. Die Herstellungsschritte zur Realisierung der gesamten Filterstruktur wurden detailliert beschrieben, was zu Filtern ohne verformte Haltepfosten und ohne Herunterfallen des oberen DBR führte. Die elektrostatische Gleichspannungs-Aktuation wurde an strukturierten Kavitätsfiltern mit verschiedenen Aufhängungsgeometrien und Membrangrößen im sichtbaren Bereich durchgeführt. Ein Beispiel: Ein Filter (3 geraden Aufhängungen, 70 μm Membrandurchmesser) zeigte bei 20 V einen Tuningbereich von 58 nm, 45% Transmission und 10 nm FWHM. Darüber hinaus wurde eine numerische Simulation basierend auf der Finite-Elemente-Methode durchgeführt, um die Anfangsauslenkung und die elektrostatische Aktuation der oberen Membran zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Vergrößerung des Durchmessers der oberen Mesa die Anfangsauslenkung der oberen Membran um mehr als die Hälfte im Vergleich zum vorherigen Design reduzierte. Ein Beispiel: ein Filter (3 geraden Aufhängungen, 40 μm Membrandurchmesser, 36 μm oberen Mesa-Durchmesser) zeigte eine Reduktion der Anfangsauslenkung um 333 nm (≈65 %), von 506 nm auf 173 nm, verglichen mit einem oberen Mesa-Durchmesser von 30 μm. Während der elektrostatischen Aktuation war die Reduktion der Verschiebung bei Filtern mit größeren oberen Mesa-Durchmessern minimal. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | AL-Esayi, Waleed Yehia Mohsen | |
| dcterms.dateAccepted | 2018-08-07 | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik | |
| dc.contributor.referee | Hillmer, Hartmut (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Bangert, Axel (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Claudi, Albert (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Börcsök, Josef (Prof. Dr.) | |
| dc.subject.swd | Miniaturisierung | ger |
| dc.subject.swd | MEMS | ger |
| dc.subject.swd | Optisches Filter | ger |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |
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