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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen
Messung von Änderungen einer
Ausdehnung eines auf einen Gegenstand aufgebrachten Probekörpers, wobei
insbesondere Änderungen
des Probekörpers
im Sub-Mikrometer
Bereich zwischen 10 nm und 500 nm gemessen werden, wobei der Probekörper von
einem Sender, insbesondere einer Lichtquelle, mit Primärstrahlung
beaufschlagt wird, wobei vermittels eines Empfängers die vom Probekörper modifizierte
Primärstrahlung
als Sekundärstrahlung
aufgenommen wird, wobei aus dem Grad der Modifikation die Änderung
der Ausdehnung ermittelt wird. Die Erfindung betrifft gleichfalls einen
Probekörper
zum Einsatz in dem Verfahren, sowie ein System zur Durchführung des
Verfahrens.
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Dehnungssensoren
werden heutzutage in vielen Bereichen der Industrie und im Zusammenhang
mit Konsumgütern
verwendet. Die meisten Sensoren funktionieren nach dem Prinzip,
dass sich in Kenntnis der thermoelastischen Daten aus der Dehnung
des Probekörpers
weitere Werte, wie eine Kraft, ein Drehmoment oder eine Temperatur,
berechnen lassen. Dabei basieren die bekannten Sensoren auf unterschiedlichen
Funktionsmechanismen.
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So
gibt es Dehn-Messstreifen, die leitfähige Polymere als Probekörper nutzen.
Statt der Polymere, bei denen der Abstand der leitfähigen Partikel
variiert wird, können
auch Metalle verwendet werden, sofern sich durch eine Dehnung des
Probekörpers der
Querschnitt und die Länge
des Materials signifikant ändern.
Weiterhin sind bekannt, Sensoren, deren Prinzip auf der Änderung
des elektrischen Widerstands beruht, piezoresistive Sensoren und
die in der Entwicklung befindlichen magnetischen Widerstandssensoren.
Alle genannten Prinzipien ist der Nachteil gemeinsam, dass sie zur
Messung des Widerstands die Kontaktierung mit Messleitungen benötigen. Zwar
ist die Fernabfrage über
die Eigenschaftsänderung
eines Schwingkreises möglich, aber
im Vergleich zu optischen Messmethoden störungsanfällig.
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Eine
Reihe optischer Sensoren verwendet Glasfasern, deren Enden meist
jedoch fest an die Detektoren gekoppelt sind und deren Prinzip darauf
beruht, dass die Verformung des Materials die Lichtintensität des transmittierten
Lichts schwächt.
Nachteilig ist, dass der experimentelle Aufbau oft den direkten
Kontakt mit dem zu untersuchenden Material erfordert oder dass die
Dimensionen des Sensors für das
zu messende System um mehrere Größenordnungen
zu groß ist.
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Es
sind weiterhin optische Dehnungssensoren bekannt, die eine mit einer
Polymerschicht ummantelte Glaskapillare aufweisen. Ein solches Messsystem
ist jedoch nur bei großen
Konstruktionen, beispielsweise an Gebäuden, einsetzbar. Außerdem werden
Sensorsysteme mit optischen Faserstrukturen verwendet, deren Licht
aufgrund der Brillouin-Streuung unter Belastung abgeschwächt wird. Auch
diese können
wegen der für
die Funktion wichtigen Länge
gleichfalls nur in großen
Gegenständen eingesetzt
werden. Außerdem
ist ein Dehnungssensor auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers bekannt.
Zwar hat dieser eine Auflösung
von weniger als 50 pm, jedoch beträgt seine Messlänge mehrere Zentimeter
und sein Messaufbau ist verhältnismäßig aufwendig.
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Einige
Prinzipien zur optischen Dehnungsmessung kommen ohne Befestigung
eines Sensors auf dem zu untersuchenden Material aus. Die entsprechenden
Sensoren sind allerdings mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden
und daher relativ teuer und störanfällig. Nach
dem Prinzip funktionieren beispielsweise die Laser-Speckle-Extensometer,
bei denen die bei der Dehnung auftretenden Veränderungen der Laser-Speckle-Muster
mit Videokameras und mathematischen Korrelations-Algorithmen ausgewertet
werden. Weitere optische Mechanismen beruhen auf der Bildauswertung
von Aufnahmen mit digitalen Kameras. Zur Messung der Auslenkung
von Aktoren in der Robotik werden häufig auch Systeme verwendet,
bei denen ein Laserstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet
wird und deren Krümmung
sich in einem defokussierten und abgelenkten, reflektierten Laserstrahl
auswirkt. Für eine
signifikante Änderung
des reflektierten Strahls ist allerdings immer ein großer Messaufbau
nötig,
damit die Winkeländerung
vom Detektor quantitativ erfasst werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur berührungslosen
Messung von Ausdehnungsänderungen
im Sub-Mikrometerbereich zu schaffen, das sich mit kleinen und preiswerten
Bauteilen realisieren lässt,
und das bei hoher Zuverlässigkeit
präzise
Messungen ermöglicht.
Dabei sei lediglich ein kleiner Messfleck von wenigen Mikrometern
erforderlich, um eine lokale Dehnung zu bestimmen. Aufgabe der Erfindung
ist ebenfalls die Schaffung eines Probekörpers zum Einsatz in dem Verfahren.
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Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch den
Probekörper
nach Anspruch 6 gelöst.
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Besondere
Ausführungsformen
sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
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Der
Kerngedanke der Erfindung liegt darin, sich einer an sich bekannten
aber in diesem Zusammenhang bislang nicht genutzten Wechselwirkung zwischen
einer Strahlung und einem damit bestrahlten Probekörper zu
bedienen, um aus den beobachtbaren Effekten Rückschlüsse auf Dehnungsänderungen
des Probekörpers
ziehen zu können.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Modifikation
der Primärstrahlung
beobachtet, die durch eine Anregung von Elektron-Plasma (Partikel-Plasmonen)
Schwingungen im Probekörper
hervorgerufen wird. Dabei weist der Probekörper eine Vielzahl von kleinsten
Partikeln, insbesondere sogenannten Nanopartikeln auf, deren Ausdehnung
zumindest in einer Richtung < 1 μm ist. Die
Anregung von Partikel-Plasmonen Schwingungen führt in entsprechend ausgebildeten
Probekörpern
zu einer Reihe für
die Dehnungsmessung nutzbarer Effekte, die sich aus Modifikationen
des Absorptions- und/oder des Reflexionsspektrums ablesen lassen.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Anmeldung
mit dem Charakteristikum „berührungslos" im Zusammenhang
mit dem Begriff „Messung" eine Fernübertragung
von Information zwischen Sender/Empfänger einerseits und dem Probekörper andererseits
beschrieben wird. Während
sich der Sender/Empfänger
und der Probekörper
nicht berühren,
kann der Probekörper
sehr wohl den Gegenstand berühren.
Außerdem
sei betont, dass der Probekörper
kein separater Körper sein
muss, sondern dass der Gegenstand mit dem Probekörper einteilig ausgebildet
sein kann.
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Der
nachfolgend zu beschreibende besondere Effekt bietet ein die Grundlage
für ein
besonders vorteilhaftes da präzises,
sensibles und kostengünstiges
Verfahren zur Dehnungsmessung. Kurz gesagt basiert das neuartige
Verfahren und damit das entsprechende Sensorprinzip auf der Kopplung
von einfallender Primärstrahlung
mit Partikel-Plasmonenresonanz und Wellenleiter-Moden. Dabei liegt
ein wesentlicher Aspekt der Erfindung auch darin, dass der Probekörper mit
Nanopartikeln versehen ist, die insbesondere aus Edelmetall, beispielsweise
aus Gold, bestehen und mit regelmäßigen Abständen in einem Array angeordnet
sind.
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Die
Absorption elektromagnetischer Wellen ist bei solchen Nanopartikeln
bekanntermaßen
dominiert von resonant angeregten Partikel-Plasmonen. Dabei können in
Resonanz angeregte Plamonen innerhalb der elektrisch leitenden Nanopartikel
unter bestimmten Voraussetzungen zur Auslöschung der eingestrahlten Strahlung
insbesondere im sichtbaren Bereich führen. Diese Voraussetzungen
können
insofern gezielt geschaffen werden, als die Resonanz in ihren charakterisierenden
Eigenschaften, wie ihrer Frequenz, ihrer Bandbreite, ihrer Amplitude
und/oder ihrer Linienform, durch das Material, die Größe und die
Form der Nano-Partikel sowie durch die dielektrische Funktion des
die Partikel umgebenden Mediums, das einen Wellenleiter bilden kann,
beeinflussbar sind. Die Charakteristika dieser als Dipol-Antennen
wirkenden Nanopartikel werden also gezielt im Hinblick auf die beaufschlagende
Strahlung eingestellt. Durch die Wahl dieser Parameter wird somit das
Absorptionsspektrum eines Probekörpers,
respektive eines Sensors in gewissen Grenzen justiert.
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Mit
Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie können derartige Systeme aufweisend
ein Muster von Nanopartikeln realisiert werden, wobei einerseits die
Form und andererseits auch die Anordnung der Partikel den gewünschten
Anforderungen angepasst werden. So wurde gezeigt, dass die Breite
und die spektrale Position der Resonanzen abhängt von der Gitterkonstanten
einer zweidimensionalen Anordnung von Gold-Nanopartikeln, die in
dem speziellen Fall auf einem mit 3 nm starkem Indium-Zinn-Oxid (ITO)
beschichteten Quarzsubstrat abgeschieden wurden. Durch Veränderung
des Abstandes der Nanopartikel, d.h. durch Dehnung des Probekörpers, verschiebt
sich die Resonanz wegen der vom Abstand abhängigen Wechselwirkung der einzelnen Nanopartikel
untereinander, die über
eine Photonenkopplung geschieht. Dieser Effekt ist messbar und damit
nutzbar für
eine Dehnungsmessung am Probekörper.
Da der Effekt relativ klein ist und damit die Messung der Verschiebung
sich relativ aufwendig gestaltet, ist ein besonderer Ansatz zu bevorzugen, bei
dem eine andere Art von Probekörper
verwendet wird:
So konnte gezeigt werden, dass bei stärkeren,
insbesondere > 100
nm starken Wellenleiterschichten, beispielsweise aus ITO, sich im
Absorptionsbereich Paare schmaler Bänder ausbilden, die vergleichsweise
steile und daher gut messbare Flanken haben und bei denen die Auslöschung durch
Plasmonenresonanz unterdrückt
ist. Dieser Effekt wird durch 2 veranschaulicht,
in der auch als unterbrochene Kurve eine beschriebene Resonanz gezeigt
ist. Dabei wird die Lage der Bänder
verschoben beispielsweise durch eine Änderung der Periodizität und damit
des Abstands der Nanopartikel, also durch eine Dehnung des Probekörpers. Außerdem ändert sich
die Lage der Bänder
durch die Variation des Einstrahlwinkels, da sich dadurch die Wegstrecke
und damit die Wellenlänge
innerhalb des Wellenleiters ändert.
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Zur
Erzielung dieses für
die vorteilhafte Form der Erfindung wesentlichen Effektes der Erzeugung von
nutzbaren Auslöschungen
ist die mit Stärken
von > 10 nm und insbesondere
von > 100 nm relativ
dicke, die Nanopartikel tragende dielektrische Wellenleiterschicht,
die insbesondere aus ITO, Ta2O5,
TiO2, Si oder SiON gefertigt ist, besonders
wichtig. Zur Messung größerer Dehnungen
kann es vorteilhaft sein, den Wellenleiter aus einem Polymer zu
fertigen.
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Um
eine „phasenrichtige" Kopplung vermittels
der Wellenleiter-Moden zu unterstützen, ist es zudem besonders
vorteilhaft, den Wellenleiter auf ein Substrat aufzubringen, dessen
Brechungsindex kleiner ist als der des Wellenleiters. Durch diese
Maßnahme
werden die Photonen innerhalb des Wellenleiters gehalten und stehen
damit für
eine Wechselwirkung mit den Partikel-Plasmonen zur Verfügung.
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Der
Effekt wird folgendermaßen
erklärt:
Ein Teil der einfallenden Primärstrahlung
wird von den Partikeln absorbiert und ein anderer Teil kann in einer,
insbesondere der ersten transversalen elektrischen Wellenleiter-Mode
der Wellenleiterschicht einkoppeln. Stimmen die Eigenfrequenz des
dielektrischen Wellenleiters und die Frequenz der eingestrahlten
Primärstrahlung überein,
wirken auf die Nanopartikel zwei verschiedene elektrische Felder, nämlich das
der unmittelbar eingestrahlten Wellen und das des Wellenleiters.
Im Resonanzfall sind beide Felder um 180° phasenverschoben, so dass destruktive
Interferenz auftritt. Durch diese destruktive Interferenz von Wellenleiter
und Lichtstrahl wird aber die Ursache der Plasmonenresonanz und
damit die Ursache der Auslöschung
des durchstrahlten Lichts aufgehoben. Da der Wellenleiter Eigenschwingungen
sowohl mit den Knoten als auch mit den Maxima unter den Nanopartikeln
erlaubt, gibt es in der Regel zwei Resonanzkopplungen von TE-Moden
und einfallendem Licht mit der Plasmonen-Resonanz-Auslöschung.
Je nach Anordnung der Nanopartikel können auch die TM-Moden des
Wellenleiters mit den Partikel-Plasmonen interagieren. Die Plasmonen,
die Moden des Wellenleiters und das Licht der Lichtquelle liegen
vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 200 nm und 2000 nm.
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Für eine Darstellung
des Effektes wird verwiesen auf die Veröffentlichung von S. Linden,
A. Christ, J. Kuhl und H.Giessen, „Selective suppression of
extinction within the plasmon resonance of gold nanoparticles", in Appl. Phys.
B 73 (2001) 311–316, deren
Inhalt hiermit vollinhaltlich einbezogen genommen wird.
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Das
geschilderte Prinzip lässt
sich vorteilhaft umsetzen durch einen Probekörper aufweisend das beschriebene
Schichtsystem mit Nanopartikeln, die auf einer Schicht eines Wellenleiters
aufgebracht sind, wobei der Wellenleiter seinerseits auf einem Substrat
aufgebracht ist. Ein solcher Probekörper kann dann direkt mit dem
zu untersuchenden Gegenstandes verbunden werden. Dann wird die Dehnung des
Gegenstandes durch Strahlungsbeaufschlagung des Probekörpers, insbesondere
mit Laserlicht, und durch Messung der vom Probekörper reflektierten oder transmittierten
Intensität
auf einfache Art und Weise bestimmt. Mit einem solchen erfindungsgemäßen Sensorkonzept
können
Kräfte,
Drehmomente und/oder Temperaturen über die mechanische Dehnungen
des Probekörpers
gemessen werden.
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Das
beschriebene Schichtsystem besitzt einen unkomplizierten Aufbau,
lässt große Freiheiten bei
der Materialauswahl zu und ermöglicht
einen fokussierbaren Messbereich mit einer Ausdehnung von nur wenigen
Mikrometern, der in diesem Fall mit einem Array von Nanopartikeln
besetzt ist. In gewisser Weise handelt es sich um eine relative
Messung der Dehnung innerhalb des kleinen Bereiches des Arrays,
wobei diese relative Messung unter bestimmten Voraussetzungen auf
die Dimension des gesamten Probekörpers und damit des gesamten
Gegenstandes extrapoliert werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Sensorkonzept
ist somit besonders attraktiv für
Mikrosysteme und andere Systeme, die nur kleine Flächen zur
Messung zur Verfügung
haben. Der Anwendungsbereich erstreckt sich von Sensoren zur Kraftmessung
in Mikrogreifern bis hin zu der Drehmoment-Bestimmung an Achsen
in der KfZ-Technik. Der einfache Aufbau der Schichtsysteme ermöglicht eine
kostengünstige
Herstellung in hoher Stückzahl.
Die erforderliche Elektronik ist kommerziell erhältlich, die nötigen Bauteile sind
Massenprodukte.
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Weitere
Vorteile der Erfindung liegen darin, dass das Verfahren berührungslos
ist. Die zu untersuchende Probe wird somit nicht durch Kabelzuleitungen
in ihrem Messverhalten gestört.
Zudem können
als Lichtquellen Halbleiter-Laserdioden und als Detektoren einfache
Photodioden eingesetzt werden, so dass das System mit einfachen
und kostengünstig erhältlichen
Bausteine aufgebaut werden kann. Die nötigen Schichtstrukturen sind
ebenso einfach und können
auf viele Messobjekte aufgetragen werden. Bei Zerstörung des
Probekörpers
können
die Laserdiode und die Photodiode weiter verwendet werden. Wie dargelegt,
wird zur Messung auch nur ein kleiner Messbereich von etwa 20 μm benötigt, so
dass auch kleine Bereiche in Mikrosystemen untersucht oder die Kräfte in Mikrogreifern
bestimmt werden können.
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Generell
ist es vorteilhaft, dass zur Störungskompensation
ein in der Nähe
des gedehnten Probekörpers
dehnungsfrei angebrachter Referenzkörper parallel gemessen wird.
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Durch Änderungen
der äußeren Gegebenheiten
ist der Sensor in Grenzen einstellbar: So kann beispielsweise durch
Variation des Einstrahlwinkels der Primärstrahlung der Arbeitspunkt
eingestellt werden. Außerdem
ist es möglich,
die Justierungsmöglichkeiten
dadurch zu unterstützen,
dass der Wellenleiter eine variierende Schichtdicke oder die Struktur eine
lateral variierende Anordnung aufweist, damit sich durch die Wahl
des von der Lichtquelle beleuchteten Bereichs der gewünschte Messbereich
einstellen lässt.
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Nachfolgend
wird der für
die Erfindung wesentliche Effekt und ein das erfindungsgemäße Verfahren
umsetzender Sensor anhand der 1 bis 5 näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Anordnung zur Koppelung
von Plasmonen, Wellenleiter-Moden und einfallenden Lichtwellen,
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2 die Auslöschung eines
Lichtstrahls durch Plasmonenresonanz in einer ITO-Schicht,
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3 die Verschiebung der Wellenleiter-Moden
zu niedrigen Photonen-Energien
bei Erhöhung des
Nano-Dot-Abstands,
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4 die Lage des Arbeitspunkts
des Sensors in der Auslöschung-Photonenenergie-Kurve,
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5 den Aufbau eines Sensors
und
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6 den Aufbau eines Sensors
mit Referenzprobekörper.
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In 1 ist eine Anordnung zur
Koppelung von Plasmonen, Wellenleiter-Moden und einfallenden Lichtwellen
in Form eines Probekörpers 1 gezeigt.
Dieser weist einen ITO-Film 2 auf, dessen Stärke d in
diesem Fall 140 μm
entspricht und der den Wellenleiter bildet. Der ITO-Film 2 ist
aufgedampft auf ein Substrat 3 aus Quarzglas. Auf den ITO-Film 2 ist
mittels des Verfahrens der Elektron-Litographie ein Array gleichmäßig beabstandeter
Nanopartikel 4 („Nano-dots") aus Edelmetall,
hier aus Gold, aufgebracht. Die Anzahl der Nanodots sind der Übersicht wegen
in geringer Zahl dargestellt. Der beispielhaft abgebildete Sensor
arbeitet in Transmission mit inselförmigen Nanodots. Der Wellenvektor 5 und
das elektrische Feld 6 der einfallenden Primärstrahlung ist
gleichfalls gezeigt. Unterhalb der Anordnung ist ein nicht dargestellter
Detektor angeordnet, auf den die modifizierte Primärstrahlung
als Sekundärstrahlung 7 auftrifft.
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2 zeigt zwei Kurven, wobei
jeweils eine Intensitätsverteilung
als Auslöschung
(„Extinction") aufgetragen ist
gegen die Photonenenergie in eV. Die gestrichelte Linie zeigt die
auf 1 normierte Auslöschung
eines Lichtstrahls, die durch eine Plasmonenresonanz in einer 30
nm dicken ITO-Schicht hervorgerufen wird. Außerdem ist die Aufhebung der Auslöschung innerhalb
der Resonanz durch die Kopplung mit den zwei Wellenleiter-Moden
in der oben erwähnten
140 nm dicken ITO-Schicht als durchgezogene Linie gezeigt.
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Deutlich
ist in 2 der Einfluss
der erhöhten
Schichtdicke zu erkennen. Die Lage der im Paar angeordneten und
die Wellenleiter-Moden charakterisierenden Bänder 8 und 9,
die sich innerhalb der Resonanz ausbilden, kann durch eine Änderung
des Abstands der Gold-Partikel und somit durch eine Dehnung des
Probekörpers
zu niedrigeren Energien verschoben werden. Die Bänder 8 und 9,
bei denen die Auslöschung
durch Plasmonenresonanz unterdrückt
ist, haben dabei vergleichsweise steile und daher gut messbare Flanken.
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3 zeigt die Auslöschung bei
in diesem Fall elliptischen Nanopartikeln aus Gold, die auf eine 140
nm dicken ITO-Schicht aufgebracht sind. Das einfallende Licht ist
in y-Richtung polarisiert. Die elliptischen Gold-Partikel erzeugen
zwei Plasmonen-Resonanz-Frequenzen, wobei je nach der Orientierung der
Polarisationsrichtung zu den Hauptachsen der Ellipsen entweder eine
der beiden oder beide gleichzeitig angeregt werden. Die Diagramme
a–f zeigen jeweils
eine in durchgezogener Linie gezeichnete Kurve, wobei in diesen
Fällen
der Abstand der Nanopartikel in y-Richtung bei 300 nm verbleibt
und in x-Richtung von 350 nm bis 475 nm in Schritten von jeweils
25 nm variiert. Die Folge der in gestrichelter Linie ausgeführten Kurven
zeigen eine Variation der Abstände
in y-Richtung ebenfalls von 350 nm bis 475 nm in Schritten von jeweils
25 nm. Dabei verbleibt der Abstand in y-Richtung bei 300 nm. Die
gepunktete Kurve in 3a ist
zeigt den Referenzarray mit gleichem Abstand in y- und x-Richtung
von 300 nm.
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In 3 ist deutlich zu sehen,
dass sich die Bereiche der reduzierten Auslöschung zu niedrigeren Energien
hin verschieben. Die Verschiebung beträgt hier etwa –2,4 meV
pro Nanometer Abstandsänderung
oder –7
meV bei einer Nanopartikel-Abstandsänderung um ein Prozent. Die
Flankensteilheit der gekoppelten Resonanzen und damit die Empfindlichkeit
der Lichtintensität
gegenüber
einer Änderung
der Gitterlänge
von Nanostrukturen kann noch weiter gesteigert werden, wenn statt
Nanokreisen- oder -ellipsen streifenartige Nanostrukturen auf den
Wellenleiter aufgetragen werden. Modellrechnungen haben gezeigt,
dass mit diesen Strukturen die Flankensteilheit um eine Größenordnung
gesteigert werden kann. Eine weitere Verbesserung kann von einer Streifenanordnung
erwartet werden, deren Gitterstruktur für die Wellenmoden des Wellenleiters
die Eigenschaften eines Fabry-Perot-Interferometers besitzt.
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Die
beschriebene deutliche Verschiebung der Resonanzfrequenzen zu niedrigeren
Energien bei Erhöhung
des Abstandes zwischen den Nano-Partikeln ermöglicht die Konzeption eines
erfindungsgemäßen berührungslosen
Dehnungssensors. Wird der Abstand der Nano-Partikel auf dem Wellenleiter
vergrößert, so
entspricht diese Abstandsänderung
auch einer Dehnung des Wellenleiters um den entsprechenden Betrag.
Wie beschrieben, beträgt die
Verschiebung der and die Plasmonenresonanz gekoppelten Wellenleiter-Eigenmode –7 meV bei
einer Nanopartikel-Abstandsänderung
um ein Prozent. Gleichzeitig beträgt der Gradient am Arbeitspunkt 1,8%
Auslöschungsvariation
bei einer Änderung
der Energie um 1 meV, wie in 4 dargestellt
ist. Das bedeutet, dass eine Dehnung um ein Prozent eine Variation
der Auslöschung
um 12,4% erzeugt. Der Gradient Auslöschung/Photoenenenergie ist
in 4 mit der durch den
Arbeitspunkt 11 des Sensors verlaufenden Geraden 10 dargestellt.
Wie gesagt, werden durch die Dehnung des Sensors die Wellenleiter-Resonanzmoden
hin zu niedrigeren Energien verschoben. So kommt es bei konstanter
Photonenenergie zu einer deutlichen und messbaren Änderung
der Auslöschung.
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5 zeigt nunmehr den prinzipiellen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors.
Die gesamte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 12, beispielsweise
eine Laserdiode, und einen Detektor 13 zur Intensitätsmessung,
beispielsweise eine Photodiode, auf. Mit der Lichtquelle 12 wird
die Oberfläche
des Probekörpers 14 beleuchtet,
wobei der Probekörper 14 in seinem
Aufbau dem nach 1 entspricht.
Er ist auf einen Gegenstand 15 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt,
dessen Ausdehnung gemessen werden soll. Der Probekörper 14 weist
ein Substrat 16 aus Quarzglas mit aufgedampften ITO-Film 17 als
Wellenleiter auf. Die Stärken
der Schichten entsprechend den zu 1 angegebenen.
Der Brechungsindex des Substrates 16 ist kleiner als der
des Wellenleiters 17. Auf den ITO-Film 17 aufgedampft
sind Nanodots 18.
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Der
maximale Messbereich des Sensors ergibt sich aus der Differenz zwischen
maximaler und minimaler Auslöschung.
Ausgehend von einer maximal 50%-igen Variation der Auslöschung kann
der Dehnungssensor eine Dehnung von bis zu 4% detektieren.
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Die
Empfindlichkeit des Dehnungssensors hängt vom Gradienten am Arbeitspunkt
in der Absorption-Energie-Kurve sowie von der Auflösung des Detektors
ab. Wird ein Material-Schichtverbund mit inselförmiger Anordnung der Nano-Partikel
entsprechend 1 verwendet,
so ist nach dem Absorptionsspektrum von 4 eine Variation der Auslöschung um
12,4% zu erwarten, wenn der Sensor um 1 Prozent gedehnt wird. Werden
als Schichtstruktur aber Streifenmuster vorgesehen, so ist mit einer
Steigerung der Auflösung
um eine Größenordnung
zu rechnen. Eine Intensitätsschwankung
von 12,4% ist danach bereits bei einer Dehnung um 0,1% zu erwarten.
Weitere Steigerungen der Empfindlichkeit sind möglich, wenn die streifenförmige Struktur
auf dem Wellenleiter in Fabry-Perot-Anordnung aufgetragen wird.
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6 zeigt den Aufbau eines
Sensors nach 5, der
erweitert ist durch einen Referenzprobekörper 19, einen Referenzdetektor 20 und
einen Strahlteiler 21. Der Referenzprobekörper 19 erfährt im Gegensatz
zum Probekörper 14 keine
Dehnung durch den Gegenstand 15. Die Intensität des durch den
Strahlteiler 21 aufgeteilten Lichtstrahls wird durch die
Eigenschaften von Probekörper 14 und
Referenzprobekörper 19 modifiziert.
Die Messung der Differenz der an den Detektoren 13 und 20 gemessenen
Intensitäten
ist gegenüber
Störungen
unempfindlicher als die absolute Intensitätsmessung entsprechend der
Anordnung in 5.
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Es
ist auch möglich,
stat des Referenzprobekörpers
einen flachen Spiegel für
die Referenzmessung einzusetzen. Die zu messende Absorbtion würde sich
dann ergeben aus In(IProbe)/In(IReferenz). Mit dieser Methode würde sich
jede Änderung
der Temperatur bei einer strukturierten Probe äußern. Gemessen werden braucht
lediglich die Referenzintensität.