| dc.date.accessioned | 2013-12-13T13:04:08Z | |
| dc.date.available | 2013-12-13T13:04:08Z | |
| dc.date.issued | 2013-12-13 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2013121344669 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2013121344669 | |
| dc.language.iso | ger | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Fabry-Pérot-Resonator | ger |
| dc.subject | Optisches Filter | ger |
| dc.subject | Multischichtsystem | ger |
| dc.subject | Dünnschichttechnologie | ger |
| dc.subject | MEMS | ger |
| dc.subject | Spektrometer | ger |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | 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. | ger |
| dcterms.abstract | The aim of this work was the fabrication and characterization of micromechanically tunable, dielectric Fabry-Pérot filters in the near-infrared range at a central wavelength of λc = 950 nm.
These devices were designed on the basis of low cost technologies. Their development enables extreme miniaturization and high spectral requirements at the same time. The advantage of such filters is that they can be directly integrated into a photodetector and thereby can be assembled with very few components to a compact spectrometer module. The size is only limited by the size of the photodetector and the total intensity of the incident light may be advantageously focused on a single membrane of the Fabry -Perot filter.
The filter contains of two highly reflective, dielectric DBR mirrors, an organic material as sacrificial layer, which is used to produce an air cavity in the filter, and two kinds of electrodes of ITO and aluminum. The micromechanical deflection of the exposed filter membrane is done by electrostatic actuation, the cavity height of the Fabry-Pérot filter is changed in this way and thus it is optically tuned to the required spectral range.
The selected filter concept in this work is a further development of an already existing filter concept for the visible spectral range. On the one hand, the vertical and lateral design of filter structures has been modified in this work. A significant change was induced in the moving part of the micromechanical Fabry-Perot filter. This includes the top DBR mirror and a carrier system, which consists of dielectric layers and the top aluminum electrode membrane and which later will be exposed by removing the sacrificial layer. The area of the top DBR mirror has been reduced to the area of the filter membrane and it is positioned on carrier system.
On the other hand, the vertical layer structure of the membrane carrier system was varied in this thesis and the influence of the materials, which were chosen for the filter curvature of the exposed structures, on the tuning behavior and on the spectral characteristics of the entire filter was investigated. The influence of the mechanical properties of these materials is crucial for obtaining the required optical properties of the filter.
Before Fabry-Pérot filters have been implemented, the mechanical stress in the materials of the membrane carrier system was investigated. A substrate bending method was applied for the stress measurements. It has been shown that the plasma excitation frequencies of the plasma-enhanced chemical vapor deposition process enormously affect the mechanical stress of Si3N4 at a temperature of 120 °C. These results were implemented in the membrane carrier system, whereby different filters with different mechanical properties of the membrane carrier system were shown.
In addition, optical properties of the filters were investigated under the influence of the lateral design of filter structures.
In the realized filters an optical tuning range of 70 nm and a spectral resolution of 5 nm were achieved. The intensity of the transmission line is 45-60 %. These parameters are very important for later spectroscopic application of realized Fabry-Perot filters. The first application is to take place within a “Proof of Concept”, where the surface temperature of a GaAs wafer will be determined by measuring the spectral position of its band gap. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Woit, Tatjana | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität, FB 16, Elektrotechnik/Informatik | |
| dc.contributor.referee | Hillmer, Hartmut (Prof. Dr. rer. nat.) | |
| dc.contributor.referee | Witzigmann, Bernd (Prof. Dr. sc. techn.) | |
| dc.contributor.referee | Ehresmann, Arno (Prof. Dr. rer. nat.) | |
| dc.contributor.referee | Axel, Bangert (Prof. Dr.-Ing.) | |
| dc.subject.swd | Fabry-Pérot-Resonator | ger |
| dc.subject.swd | Optisches Filter | ger |
| dc.subject.swd | Mehrschichtsystem | ger |
| dc.subject.swd | Dünnschichttechnik | ger |
| dc.subject.swd | MEMS | ger |
| dc.subject.swd | Spektrometer | ger |
| dc.date.examination | 2013-04-23 | |
