Gegenstand dieser Arbeit sind systematische Untersuchungen zu den Anwendungsmöglichkeiten der am Institut für Physikalische Chemie entwickelten IC-Kalorimeter im Bereich flüssiger Reaktionssysteme, mit Schwerpunkt auf enzymkatalysierten Reaktionen. Dazu kamen IC-Durchfluss- und IC-Batch-Kalorimeter zum Einsatz, mit denen durch Zusammenführung zweier Lösungen initiierte Mischungs- und Reaktionsprozesse untersucht werden können. Anhand einer Vielzahl untersuchter Reaktionssysteme wird unter stofflichen und methodischen Gesichtspunkten aufgezeigt, unter welchen Bedingungen ein Einsatz der IC-Kalorimeter sinnvoll erscheint. Außerdem werden für die miniaturisierten kalorimetrischen Anordnungen spezifische Aspekte diskutiert; u. a. Probleme bei der elektrischen Kalibrierung und die Nachweisgrenzen bzgl. der bei einem zu detektierenden Prozess mindestens zu generierenden Wärme bzw. Wärmeleistung. Beide IC-Kalorimeter konnten durch konstruktive Veränderungen gegenüber vorhandenen Anordnungen in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert werden.

Im Rahmen der Dissertation wurden die Wechselwirkungen gasförmiger Enantiomere mit chiralen Rezeptorschichten thermodynamisch untersucht. Ziel war es, die thermodynamischen Daten, freie Enthalpie (ΔG), Enthalpie (ΔH) und Entropie (ΔS) des Absorptionsprozesses zu bestimmen. Die Ermittlung der enthalpischen Komponenten erfolgte mittels der am Institut für Physikalische Chemie weiterentwickelten IC-Kalorimetertechnik. Die absorbierte Stoffmenge kann mit Quarzmikrowaagen unter ähnlichen experimentellen Bedingungen wie am IC-Kalorimeter bestimmt werden. Als Stoffsysteme für erste Untersuchungen wurden die Enantiomere des Milchsäuremethylesters und des 2-Chlorpropionsäuremethylesters gewählt. Als chiraler Rezeptor fanden modifizierte γ-Cyclodextrine Verwendung. Die experimentellen Daten wurden mit einem Absorptionsmodell beschrieben, welches den Gesamtprozess in einen chiral-spezifischen und einen achiral-unspezifischen Anteil gliedert. Die so erhaltenen thermodynamischen Daten lieferten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungsmechanismen chiraler Gastmoleküle in Cyclodextrinen.

Zahlreiche Geräte, die in den Naturwissenschaen, in der Industrie und im Gesundheitswesen unverzichtbar sind, basieren auf Strahlen schneller geladener Teilchen. Dazu zählen unter anderem Elektronen- und Ionenmikroskope, entsprechende Lithographiestrahlanlagen und Röntgenstrahlungsquellen. Magnetische Optiken, die Strahlen geladener Teilchen ablenken, formen und fokussieren, sind das Rückgrat aller Geräte die mit hochenergetischen Teilchen arbeiten, da sie im Vergleich zu Optiken, die auf elektrischen Feldern basieren, bei hohen Teilchengeschwindigkeiten eine überlegene optische Leistung aufweisen. Konventionelle makroskopische magnetische Optiken sind jedoch groß, teuer und platzraubend, nicht hochfrequenzfähig und erfordern aktive (Wasser-)Kühlung zur Wärmeabfuhr. Sie sind daher für Mehrstrahlinstrumente, miniaturisierte Anwendungen und schnelle Strahlmanipulation ungeeignet, die für zukünftige Fortschritte in der Nanofabrikation und -analyse gebraucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die ersten magnetischen selbst-assemblierenden Mikro-Origami-Elektronenoptiken entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Mit dem verwendeten Miniaturisierungsansatz können, bei ähnlicher optischer Leistung, alle oben genannten Nachteile von konventionellen magnetischen Optiken überwunden werden. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser optischen Elemente werden durch die einzigartigen Merkmale der Mikrospulen ermöglicht: geringe Größe, geringe Induktivität und geringer Widerstand. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter anderem adaptive Phasenplaen hergestellt, die Elektronenvortexstrahlen mit einem bislang unerreichten Bahndrehimpuls von bis zu mehreren 1000 ̄h erzeugen. Des Weiteren wurden schnelle Elektronenstrahldeflektoren zur Strahlablenkung, zum zweidimensionalen Rastern und für stroboskopische Experimente gefertigt. Sie besitzen eine Ablenkleistung im mrad-Bereich für 300 kV Elektronen und einen Frequenzdurchgang bis zu 100 MHz. Darüber hinaus wurden miniaturisierte adrupollinsen mit Brennweiten kleiner als 46 mm für 300 kV Elektronen entwickelt. Diese drei Arten elektronenoptischer Elemente sind von großem Interesse für verschiedenste Anwendungen in der Nanofabrikation und -analyse, da sie unter anderem als integrale Bestandteile von zu entwickelnden Mehrstrahlinstrumenten, miniaturisierten Geräten und stroboskopischen Messaufbauten dienen können.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems / Beams of highly accelerated charged particles are essential for numerous indispensable devices used throughout natural sciences, industry and the healthcare sector, e.g., electron and ion microscopes, charged particle lithography machines and X-ray radiation sources. Magnetic charged particle optics that deflect, shape and focus high-energy charged particles are the backbone of all such devices, because of their superior optical power compared to electric field optics at large particle velocities. Conventional macroscopic magnetic optics, however, are large, costly and bulky, not high frequency capable and require active cooling for heat dissipation. They are therefore unsuitable for fast beam manipulation, multibeam instrumentation, and miniaturized applications, much desired for future advances in nanofabrication and analysis. The first on-chip micro-sized magnetic charged particle optics realized via a self-assembling micro-origami process were designed, fabricated and characterized within the frame of this work. The utilized micro-miniaturization approach overcomes all the aforementioned obstacles for conventional magnetic optics, while maintaining similar optical power. The exceptional properties of these optical elements are rendered possible by the unique features of strain-engineered micro-coils: small size, small inductance and small resistivity. Within the frame of this work, adaptive phase plates were fabricated, which generate electron vortex beams with an unprecedented orbital angular momentum of up to several 1000 ̄h. Furthermore, fast electron beam deflectors for beam blanking, two-dimensional scanning and stroboscopic experiments were manufactured. They possess a deflection power in the mrad regime for 300 kV electrons and a high frequency passband up to 100 MHz. Additionally, miniaturized strong quadrupole lenses with focal lengths down to 46 mm for 300 kV electrons have been developed. These three types of electron optical elements are of great interest for a wide range of applications in nanofabrication and analysis, as they serve as integral components of future multibeam instruments, miniaturized devices, and stroboscopic measurement setups to be developed.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems

Microbatteries are being considered as the critical components for portable and smart microelectronics, including remote sensors, micro-electromechanical systems, microrobots, implantable medical devices, and the Internet of Things, owing to their high energy densities, long life span, and facile on-chip integration. To date, tremendous efforts have been devoted to developing new methodologies for building high-performance microbatteries with minimum footprint areas. However, an effective and reliable fabrication procedure that is compatible with the modern microelectronics industry has not yet been reported for microbatteries so far. Two main issues need to be considered for the device design: (1) pursuing satisfying energy and power densities at limited footprint area is highly desired by constructing the 3D microelectrode architecture with high aspect ratio while reducing its footprint; (2) a novel technology is highly demanded to produce the 3D microstructure following an on-chip processing route which is compatible with the manufacturing procedure of microelectronic devices. Rolled-up nanotechnology can transform a large-area planar precursor into a micrometer-sized Swiss-roll by careful strain-engineering and state-of-the-art micro-patterning techniques with a micro-origami self-assembly process, which reduces the device size for monolithic integration. This dissertation demonstrates brand-new 3D Swiss-roll microbatteries with high performance at a sub-square millimeter-scale by employing rolled-up nanotechnology. Two types of micro-batteries with different configurations have been designed and fabricated, including twin Swiss-roll and single Swiss-roll structures. The twin Swiss-roll microbattery is fabricated based on two separated Swiss-roll micro-scaffolds with a parallel structure and controllable distance between them. The tuneable mesostructure benefits the mass loading of electroactive materials, rendering the excellent energy density at a greatly reduced footprint area. The twin Swiss-roll configuration is conducive to compatibility with novel battery chemistries due to its separated parallel Swiss-roll structure. In order to further decrease the overall footprint area, a single Swiss-roll configuration is designed for a fully integrated Swiss-roll microbattery. Micro-anode and micro-cathode are integrated into a single Swiss-roll configuration with an extremely small footprint area, which benefits the integration and miniaturization of microelectronics. Finally, an integrated device composed of a single Swiss-roll microbattery and UV photodetector is successfully fabricated within 1 mm2. The concept presented here enables the high-performance microbattery that can break through the limitation on microbattery’s footprint area, which opens up the new vision for the future on-chip microelectronics.:Table of contents Chapter 1. Introduction 1 1.1. Background and motivation of this work 1 1.2. Dissertation structure 2 Chapter 2. Overview of 3D microbatteries 5 2.1. Electrochemical energy storage 5 2.2. Rechargeable zinc batteries 6 2.2.1. Alkaline rechargeable zinc batteries 7 2.2.2. Aqueous zinc ion batteries 8 2.2.3. Dual-ion hybrid zinc batteries 9 2.3. Configurations for 3D microbatteries 10 2.3.1. 3D sandwiched architecture 12 2.3.2. 3D interdigital architecture 13 2.3.3. Rolled-up microtubular architecture 15 2.4. Conclusion 17 Chapter 3. Overview of rolled-up technology 21 3.1. Self-rolled-up inorganic layers 21 3.2. Self-rolled-up polymeric shapeable platform 24 3.3. Applications of rolled-up nanomembranes for energy storage devices 26 3.3.1. Rolled-up active materials for LIBs 26 3.3.2. Rolled-up micro-platform for in-situ investigation 27 3.3.3. Rolled-up integratable 3D micro-capacitors/supercapacitors 29 Chapter 4. Experimental methods 35 4.1. Fabrication technologies 35 4.1.1. Photolithography 36 4.1.2. Electron beam evaporation 37 4.1.3. Magnetron sputtering deposition 38 4.1.4. Electrochemical deposition 39 4.2. Characterization methods 40 4.2.1. Scanning electron microscopy, focused ion beam milling, and energy dispersive spectrometry 40 4.2.2. X-ray diffraction 41 4.2.3. Raman spectroscopy 41 4.2.4. Electrochemical characterization 42 4.2.5. Finite element method simulations 43 Chapter 5. A twin Swiss-roll microbattery 45 5.1. Introduction 45 5.2. Fabrication and characterization of twin Swiss-roll microbattery 46 5.2.1. Reshape a 2D precursor to a 3D mesostructured Swiss-roll 46 5.2.2. The construction of Swiss-roll microelectrodes 48 5.3. Results and discussion 51 5.3.1. The encapsulation of twin Swiss-roll microbattery 51 5.3.2. Electrochemical performance of twin Swiss-roll microbattery 52 5.3.3. Practical applications of twin Swiss-roll microbattery 55 5.4. Conclusion 57 Chapter 6. A single Swiss-roll microbattery 59 6.1. Introduction 59 6.2. Fabrication of Swiss-roll Zn-Ag microbattery 60 6.2.1. Fabrication of micro-origami layer stack 61 6.2.2. Fabrication of battery components 63 6.2.3. Self-roll-up of single Swiss-roll microbattery 63 6.3. Results and discussion 65 6.3.1. Materials characterization 65 6.3.2. Electrolyte optimization 65 6.3.3. Electrochemical performance of single Swiss-roll microbattery 70 6.4. Conclusion 73 Chapter 7. Summary and outlook 75 7.1. Summary 75 7.2. Outlook 77 Bibliography 79 List of figures 87 List of tables 91 Versicherung 93 Acknowledgment 95 Publications and presentations 97 Curriculum vita 99

In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

Nowadays, the increasing requirements of portable, implantable, and wearable electronics have greatly stimulated the development of miniaturized energy storage devices (MESDs). Electrochemically active materials and microfabrication techniques are two indispensable parts in MESDs. Particularly, the architecture design of microelectrode arrays is beneficial to the accessibility of two-dimensional (2D) active materials. Therefore, this study reviews the recent advancements in microbatteries and microsupercapacitors based on electrochemically active 2D materials. Emerging microfabrication strategies enable the precise control over the thickness, homogeneity, structure, and dimension in miniaturized devices, which offer tremendous opportunities for achieving both high energy and power densities. Furthermore, smart functions and integrated systems are discussed in detail in light of the emergence of intelligent and interactive modes. Finally, future developments, opportunities, and urgent challenges related to 2D materials, device fabrications, smart responsive designs, and microdevice integrations are provided.

Controlled thin film etching is essential for future semiconductor devices, especially with complex high aspect ratio structures. Therefore, self-limiting atomic layer etching processes are of great interest to the semiconductor industry. In this work, a process for atomic layer etching of aluminum oxide (Al2O3) films using sequential and self-limiting thermal reactions with trimethylaluminum and hydrogen fluoride as reactants was demonstrated. The Al2O3 films were grown by atomic layer deposition using trimethylaluminum and water. The cycle-by-cycle etching was monitored throughout the entire atomic layer etching process time using in situ and in real-time spectroscopic ellipsometry. The studies revealed that the sequential surface reactions were self-limiting versus reactant exposure. Spectroscopic ellipsometry analysis also confirmed the linear removal of Al2O3. Various process pressures ranging from 50 to 200 Pa were employed for Al2O3 etching. The Al2O3 etch rates increased with process pressures: Al2O3 etch rates of 0.92, 1.14, 1.22, and 1.31 Å/cycle were obtained at 300 °C for process pressures of 50, 100, 150, and 200 Pa, respectively. The Al2O3 etch rates increased with the temperature from 0.55 Å/cycle at 250 °C to 1.38 Å/cycle at 350 °C. Furthermore, this paper examined the temperature dependence of the rivalry between the removal (Al2O3 etching) and growth (AlF3 deposition) processes using the reactants trimethylaluminum and hydrogen fluoride. The authors determined that 225 °C is the transition temperature between AlF3 atomic layer deposition and Al2O3 atomic layer etching. The high sensitivity of in vacuo x-ray photoelectron spectroscopy allowed the investigation of the interface reactions for a single etching pulse as well as the initial etch mechanism. The x-ray photoelectron spectroscopy measurements indicated that the fluorinated layer is not completely removed after each trimethylaluminum exposure. The Al2O3 atomic layer etching process mechanism may also be applicable to etch other materials such as HfO2.

In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.