Opto-fluidische Mikrosysteme zur Partikelanalyse

Hofmann, Meike Kristina GND

The present thesis shows the integration of opto-fluidic systems for the measurement of the particle mass concentration and a mean particle size in flowing suspensions of water and standardized test dust. The particles under test follow the standard ISO 12103-1 in the granulations fine, medium and coarse. The particles show diameters between 0.5 und 150 µm and the samples follow different particle size distributions.The measurement of the mean value and the standard deviation of the scattered light and the transmission allows for the determination of the mass concentration and the Sauter mean diameter of the particle size distributions. For increasing mean particle sizes and constant particle mass concentrations the signal-noise-ratio decreases as the scattered light is superimposed by the excitation beam.In order to separate the scattered light from the excitation beam the approach of Talbot interferometry is investigated. Based on the model of Fresnel diffraction an analytical simulation approach is introduced. The expected signal in a self-imaging plane of a diffraction grating is evaluated in terms of the particle position and the ratio of particle size to grating period.The signal-noise-ratio of the approach is different from that of the transmission measurement. If the particles under test are larger than 10 µm and the measuring length is only a few hundred µm the approach of Talbot interferometry shows better behaviour. Based on theoretical considerations and different simulation approaches integrated measuring systems are developed following the concept of planar integrated free-space optics. An integrated system that measures both the transmission and the scattered light is demonstrated. The particle mass concentration and the Sauter mean diameter can be determined with a limit of detection lower than 1 mg/l. For optimum integration a planar emitter-receiver-unit comprising a VCSEL at 850 nm as light source and monolithically integrated segmented photodiodes are applied. The whole system is integrated into a transparent PMMA-substrate. The design of an integrated Talbot interferometer for particle analysis is presented including a discussion of the tolerances that have to be met.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Integration opto-fluidischer Messsysteme zur Partikelkonzentrationsmessung und Partikelgrößenanalyse in fließenden Suspensionen aus Wasser und Teststaub. Die untersuchten polydispersen Teststäube gemäß der Norm ISO 12103-1 in den Körnungen fein, mittel und grob bestehen aus Partikeln mit Größen zwischen 0,5 und 150 µm und weisen unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen auf. Durch die Bestimmung des Mittelwertes und der Standardabweichung des Streulichtes und der Transmission wird die Partikelmassekonzentration und der Sauterdurchmesser als mittlerer Durchmesser der Partikelgrößenverteilung ermittelt. Bei ansteigenden mittleren Partikelgrößen verringert sich bei gleicher Partikelmassekonzentration das Signal-Rausch-Verhältnis, da sich der größte Teil des Streulichtes mit dem Anregungslicht überlagert. Um dennoch das Streulicht zur Partikelanalyse heranziehen zu können, wird der Ansatz der Talbotinterferometrie untersucht. Basierend auf dem Modell der Fresnelbeugung wird ein analytischer Simulationsansatz vorgestellt, mit dem das zu erwartende Signal in der Selbstabbildungsebene eines Gitters in Abhängigkeit der Partikelposition im Probenvolumen und dem Verhältnis von Partiklegröße zur Gitterperiode untersucht wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis bei diesem Verfahren zeigt einen anderen Verlauf als bei der Streulicht- und Transmissionsmessung, so dass dieser Ansatz bei Partikelgrößen oberhalb von 10 µm und kurzen Messlängen von einigen hundert µm zu besseren Ergebnissen führt. Auf den theoretischen Überlegungen und verschiedenen Simulationsansätzen basierend erfolgt die Konzeption integrierter Messsysteme zur Partikelanalyse nach dem Ansatz der planar integrierten Freiraumoptik. Ein System, das sowohl die Transmission als auch das gestreute Licht misst, wird demonstriert. Es ermöglicht die Bestimmung der Partikelmassekonzentration und des Sauterdurchmessers der drei Teststäube mit einer Nachweisgrenze besser als 1 mg/l. Für eine optimale Integration werden planare Strahler-Empfänger-Baugruppen verwendet, die ein VCSEL bei 850 nm als Lichtquelle und monolithisch integrierte segmentierte Photodioden enthalten. Die Integration des Gesamtsystems erfolgt in transparenten PMMA-Substraten. Der Entwurf eines integrierten Talbotinterferometers zur Partikelanalyse wird vorgestellt und die einzuhaltenden Toleranzen werden diskutiert.

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Hofmann, Meike Kristina: Opto-fluidische Mikrosysteme zur Partikelanalyse. 2013.

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