DE10335533A1 - Non-contact strain sensor - Google Patents

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DE10335533A1 DE2003135533 DE10335533A DE10335533A1 DE 10335533 A1 DE10335533 A1 DE 10335533A1 DE 2003135533 DE2003135533 DE 2003135533 DE 10335533 A DE10335533 A DE 10335533A DE 10335533 A1 DE10335533 A1 DE 10335533A1
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Bernhard Dr. Winzek
Harald Prof. Dr. Giessen
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung von Änderungen einer Ausdehnung eines auf einen Gegenstand 15 aufgebrachten Probekörpers 1, 14, wobei insbesondere Änderungen des Probekörpers 1, 14 im Sub-Mikrometer-Bereich zwischen 10 nm und 500 nm gemessen werden, wobei der Probekörper 1, 14 von einem Sender 12, insbesondere einer Lichtquelle, mit Primärstrahlung beaufschlagt wird, wobei vermittels eines Empfängers 13 die vom Probekörper 1, 14 modifizierte Primärstrahlung als Sekundärstrahlung aufgenommen wird, wobei aus dem Grad der Modifikation die Änderung der Ausdehnung ermittelt wird, wobei bei der Änderung der Ausdehnung eine Änderung der modifizierten Primärstrahlung beobachtet wird, wobei die Modifikation durch eine Anregung von Plasmonen im Probekörper 1, 14 hervorgerufen ist und wobei die Plasmonen in Nanopartikeln (Partikel-Plasmonen) angeregt werden, die auf der Oberfläche des Probekörpers 1, 14 sich befinden.Method for non-contact measurement of changes in a dimension of a specimen 1, 14 applied to an object 15, in particular changes of the specimen 1, 14 in the sub-micrometer range between 10 nm and 500 nm are measured, the specimen 1, 14 of a Transmitter 12, in particular a light source, is acted upon by primary radiation, wherein by means of a receiver 13, the modified primary body 1, 14 primary radiation is received as secondary radiation, wherein from the degree of modification, the change in the expansion is determined, wherein the change in the expansion of a Modification of the modified primary radiation is observed, wherein the modification is caused by excitation of plasmons in the sample 1, 14 and wherein the plasmons are excited in nanoparticles (particle plasmons), which are on the surface of the specimen 1, 14.

Description

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.The The present invention relates to a method for non-contact Measuring changes in one Extension of a test object applied to an object, wherein in particular changes of the test piece in sub-micrometer Range between 10 nm and 500 nm are measured, the specimen of a transmitter, in particular a light source, with primary radiation is applied, wherein by means of a receiver modified from the specimen primary radiation as secondary radiation is recorded, wherein from the degree of modification, the change the extent is determined. The invention also relates to a specimens for use in the process, as well as a system for carrying out the Process.

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.strain sensors Nowadays, these are used in many areas of industry and in context with consumer goods uses. Most sensors work on the principle that is aware of the thermoelastic data from the strain of the test piece other values, such as a force, a torque or a temperature, let calculate. The known sensors are based on different Function mechanisms.

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.So There are strain gauges that use conductive polymers as test specimens. Instead of the polymers, where the distance of the conductive particles can vary also metals are used, if by an elongation of the Test specimen of Cross section and the length significantly change the material. Furthermore, sensors are known whose principle is based on the change based on the electrical resistance, piezoresistive sensors and the magnetic resistance sensors under development. All the above principles have the disadvantage in common that they contribute to Measurement of the resistance requiring contacting with test leads. Though is the remote inquiry over the property change a resonant circuit possible, but Compared with optical measuring methods, it is prone to failure.

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.A Series of optical sensors uses glass fibers whose ends are mostly however, are fixedly coupled to the detectors and their principle thereon due to the fact that the deformation of the material transmits the light intensity of the material Light weakens. The disadvantage is that the experimental design often the direct Contact with the material to be examined requires or that the Dimensions of the sensor for the system to be measured by several orders of magnitude is too big.

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.It Furthermore, optical strain sensors are known, the one with a Polymer layer have coated glass capillary. Such a measuring system but only with big ones Constructions, for example, on buildings, used. In addition, will Sensor systems using optical fiber structures whose light attenuated under load due to Brillouin scattering. Also these can because of the the function of important length likewise only in large ones Used objects become. Furthermore is a strain sensor based on a Fabry-Perot interferometer known. Although this has a resolution less than 50 pm, but its gage length is several centimeters and its measurement setup is relatively expensive.

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.Some Principles for optical strain measurement come without fixing of a sensor on the material to be examined. The corresponding However, sensors are associated with a high expenditure on equipment and therefore relatively expensive and prone to failure. To For example, the laser speckle extensometers work where the changes in the laser-speckle patterns occurring during stretching occur evaluated with video cameras and mathematical correlation algorithms become. Other optical mechanisms are based on image analysis shooting with digital cameras. For measuring the deflection Actuators in robotics often use systems where a laser beam is directed at the surface to be examined and their curvature in a defocused and deflected, reflected laser beam effect. For one significant change however, the reflected beam is always a large measurement setup necessary, so that the angle change can be detected quantitatively by the detector.

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.task The present invention is a method for non-contact Measurement of expansion changes in the sub-micron range, dealing with small and inexpensive Can realize components, and with high reliability precise Measurements possible. It is only a small spot of a few microns required to determine a local strain. Object of the invention is also the provision of a test specimen for use in the process.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch den Probekörper nach Anspruch 6 gelöst.These Problems are solved by the method according to claim 1 and by the specimens solved according to claim 6.

Besondere Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.Special embodiments are mentioned in the respective subclaims.

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.The core idea of the invention resides in the fact that it irradiates a radiation which is known per se, but has not been used in this connection until now to use the test specimen in order to draw conclusions from the observable effects on changes in strain of the test specimen. For this purpose, a modification of the primary radiation is observed according to the invention, which is caused by an excitation of electron plasma (particle plasmon) vibrations in the specimen. In this case, the specimen on a large number of smallest particles, in particular so-called nanoparticles whose extent is at least in one direction <1 micron. The excitation of particle-plasmon oscillations leads in appropriately trained test specimens to a series for the strain measurement usable effects, which can be read off from modifications of the absorption and / or the reflection spectrum.

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.At It should be noted that in the context of this application related to the characteristic "non-contact" with the term "measurement" a remote transmission Information between transmitter / receiver on the one hand and the specimen on the other is described. While itself the transmitter / receiver and the specimen do not touch, can the specimen very well touch the object. Furthermore be stressed that the specimen not be a separate body must, but that the object formed integrally with the specimen can be.

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.Of the The special effect to be described below provides a basis for a particularly advantageous because precise, sensitive and cost-effective Method of strain measurement. In short, the novel is based Procedure and thus the corresponding sensor principle on the coupling of incident primary radiation with particle plasmon resonance and waveguide modes. It lies an essential aspect of the invention also in that the specimen with Nanoparticles is provided, in particular of precious metal, for example made of gold, and arranged at regular intervals in an array are.

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.The Electromagnetic wave absorption is with such nanoparticles known dominated by resonantly excited particle plasmons. It can in Resonance excited plaques within the electrically conductive nanoparticles under certain conditions to extinguish the radiated radiation especially in the visible range. These requirements can insofar as they are specifically created, as the resonance in their characterizing Characteristics, such as their frequency, their bandwidth, their amplitude and / or their line shape, through the material, the size and the Shape of the nano-particles as well as by the dielectric function of the the particles surrounding medium, which can form a waveguide, can be influenced. The characteristics of these as dipole antennas acting nanoparticles are thus targeted with regard to the impinging Radiation set. By choosing these parameters is thus the Absorption spectrum of a specimen, respectively adjusted a sensor within certain limits.

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.With the aid of electron beam lithography such systems can be realized having a pattern of nanoparticles, wherein on the one hand the shape and on the other hand the arrangement of the particles are adapted to the desired requirements. Thus, the width and spectral position of the resonances were shown to depend on the lattice constants of a two-dimensional array of gold nanoparticles deposited in a special case on a 3 nm indium tin oxide (ITO) coated quartz substrate. By changing the distance of the nanoparticles, ie by stretching the specimen, the resonance shifts because of the distance-dependent interaction of the individual nanoparticles with each other, which occurs via a photon coupling. This effect is measurable and thus usable for a strain measurement on the specimen. Since the effect is relatively small and therefore the measurement of the displacement is relatively complicated, a special approach is preferred in which a different type of specimen is used:
Thus it could be shown that with stronger, in particular> 100 nm strong waveguide layers, for example from ITO, pairs of narrow bands form in the absorption range, which have comparatively steep and therefore easily measurable edges and in which extinction by plasmon resonance is suppressed. This effect is going through 2 which also shows a resonance described as a broken curve. The position of the bands is shifted, for example, by a change in the periodicity and thus the distance of the nanoparticles, ie by an elongation of the specimen. In addition, the position of the bands changes due to the variation of the angle of incidence, since this changes the distance and thus the wavelength within the waveguide.

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.In order to achieve this effect of generating useful extinctions, which is significant for the advantageous form of the invention, the thickness of the dielectric waveguide layer supporting the nanoparticles is relatively thick with thicknesses of> 10 nm and in particular of> 100 nm, which consists in particular of ITO, Ta 2 O 5 , TiO 2 , Si or SiON is made, especially important. To measure larger strains, it may be advantageous to manufacture the waveguide from a polymer.

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.In order to support "in-phase" coupling by means of the waveguide modes, it is also particularly advantageous to apply the waveguide to a substrate whose refractive index is small ner than that of the waveguide. By doing so, the photons are held within the waveguide and are thus available for interaction with the particle plasmons.

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.Of the Effect is as follows explained: Part of the incident primary radiation is absorbed by the particles and another part can be in one, in particular the first transverse electric waveguide mode couple the waveguide layer. Voices the natural frequency of the dielectric waveguide and the frequency of the irradiated Primary radiation match, act on the nanoparticles two different electric fields, namely the the directly radiated waves and that of the waveguide. In the case of resonance, both fields are phase-shifted by 180 °, so that destructive Interference occurs. Through this destructive interference of waveguides and light beam but becomes the cause of plasmon resonance and hence the cause of the extinction of the transmitted light canceled. Because the waveguide self-oscillations both with the nodes and with the maxima under the nanoparticles allowed, there are usually two resonance couplings of TE modes and incident light with plasmon resonance cancellation. Depending on the arrangement of the nanoparticles, the TM modes of the Waveguide interact with the particle plasmons. The plasmons, the modes of the waveguide and the light of the light source are advantageously in a range between 200 nm and 2000 nm.

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.For a presentation the effect is referred to the publication by S. Linden, A. Christ, J. Kuhl and H.Giessen, "Selective suppression of extinction within the plasmon resonance of gold nanoparticles ", Appl. Phys. B 73 (2001) 311-316, whose Content is hereby incorporated in full.

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.The described principle leaves to implement advantageous by a specimen having the described Layered system containing nanoparticles deposited on a layer of a waveguide are applied, wherein the waveguide in turn on a substrate is applied. Such a specimen can then directly with the be connected to the object to be examined. Then the stretching of the Subject by irradiation of the specimen, in particular with laser light, and by measuring the reflected or transmitted from the specimen intensity determined in a simple way. With such a sensor concept according to the invention can forces Torques and / or temperatures over the mechanical strains of the test piece be measured.

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.The described layer system has a simple structure, allows great freedom the material selection and allows a focusable measuring range with only a few dimensions Microns, in this case using an array of nanoparticles is busy. In a sense, it is a relative one Measuring the strain within the small area of the array, this relative measurement under certain conditions the dimension of the entire specimen and thus of the whole Item can be extrapolated.

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.The inventive sensor concept is therefore particularly attractive for Microsystems and other systems that use only small areas Measurement available to have. The scope of application extends from sensors for force measurement in micro grippers up to the torque determination on axles in motor vehicle technology. The simple structure of the layer systems enables a inexpensive Production in high quantities. The required electronics are commercially available, the necessary components are Mass products.

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.Further Advantages of the invention are that the method is contactless is. The sample to be examined is thus not through cable leads disturbed in their measurement behavior. In addition, you can as light sources semiconductor laser diodes and as detectors simple Photodiodes are used, making the system simple and available inexpensively Building blocks can be constructed. The necessary layer structures are just as easy and can can be applied to many measurement objects. In destruction of the specimen can the laser diode and the photodiode continue to be used. As stated, If only a small measuring range of about 20 μm is required for the measurement, then that also investigates small areas in microsystems or the forces in micro-grippers can be determined.

Generell ist es vorteilhaft, dass zur Störungskompensation ein in der Nähe des gedehnten Probekörpers dehnungsfrei angebrachter Referenzkörper parallel gemessen wird.As a general rule it is advantageous that for noise compensation a nearby of the stretched specimen Strain-free mounted reference body is measured in parallel.

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.By changes the external conditions the sensor is adjustable within limits: For example, by Variation of the angle of incidence of the primary radiation of the operating point be set. Furthermore Is it possible, the adjustment options to support it that the waveguide has a varying layer thickness or the structure a laterally varying arrangement, so that by the choice of the area illuminated by the light source, the desired measuring range can be set.

Nachfolgend wird der für die Erfindung wesentliche Effekt und ein das erfindungsgemäße Verfahren umsetzender Sensor anhand der 1 bis 5 näher beschrieben. Es zeigen:In the following, the effect essential to the invention and a method implementing the method according to the invention will be described with reference to FIG 1 to 5 described in more detail. Show it:

1 eine Anordnung zur Koppelung von Plasmonen, Wellenleiter-Moden und einfallenden Lichtwellen, 1 an arrangement for coupling plasmon, waveguide modes and incident light waves,

2 die Auslöschung eines Lichtstrahls durch Plasmonenresonanz in einer ITO-Schicht, 2 the extinction of a light beam by plasmon resonance in an ITO layer,

3 die Verschiebung der Wellenleiter-Moden zu niedrigen Photonen-Energien bei Erhöhung des Nano-Dot-Abstands, 3 the shift of the waveguide modes to low photon energies with increase of the nano-dot distance,

4 die Lage des Arbeitspunkts des Sensors in der Auslöschung-Photonenenergie-Kurve, 4 the position of the working point of the sensor in the cancellation photon energy curve,

5 den Aufbau eines Sensors und 5 the construction of a sensor and

6 den Aufbau eines Sensors mit Referenzprobekörper. 6 the structure of a sensor with reference specimen.

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.In 1 is an arrangement for the coupling of plasmons, waveguide modes and incident light waves in the form of a specimen 1 shown. This one has an ITO movie 2 on whose thickness d in this case corresponds to 140 microns and forms the waveguide. The ITO movie 2 is evaporated on a substrate 3 made of quartz glass. On the ITO movie 2 is an array of uniformly spaced nanoparticles by the method of electron lithography 4 The number of nanodots is shown in small numbers for the sake of clarity, and the example shown here works in transmission with insular nanodots 5 and the electric field 6 the incident primary radiation is also shown. Below the arrangement, a detector, not shown, is arranged, on which the modified primary radiation as secondary radiation 7 incident.

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. 2 shows two curves, each with an intensity distribution as extinction ("Extinction") is plotted against the photon energy in eV The dashed line shows the normalized to 1 extinction of a light beam, which is caused by a plasmon resonance in a 30 nm thick ITO layer. In addition, the cancellation of the cancellation within the resonance by the coupling with the two waveguide modes in the above-mentioned 140 nm-thick ITO layer is shown as a solid line.

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.It is clear in 2 to recognize the influence of the increased layer thickness. The location of the arranged in the pair and the waveguide modes characterizing bands 8th and 9 that form within the resonance can be shifted to lower energies by changing the distance of the gold particles and thus by stretching the sample. The bands 8th and 9 , in which the extinction is suppressed by plasmon resonance, thereby have comparatively steep and therefore easily measurable edges.

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. 3 shows the cancellation in this case elliptical gold nanoparticles, which are applied to a 140 nm thick ITO layer. The incident light is polarized in the y direction. The elliptical gold particles produce two plasmon resonance frequencies, either one or both of which are excited simultaneously, depending on the orientation of the polarization direction to the major axes of the ellipses. The diagrams a-f each show a curve drawn in a solid line, in which case the distance of the nanoparticles in the y-direction remains at 300 nm and varies in the x-direction from 350 nm to 475 nm in steps of 25 nm. The sequence of the curves shown in dashed line show a variation of the distances in the y-direction likewise from 350 nm to 475 nm in steps of 25 nm in each case. The distance in the y-direction remains at 300 nm. The dotted curve in FIG 3a is the reference array with the same distance in the y and x direction of 300 nm.

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.In 3 It can clearly be seen that the areas of reduced extinction shift towards lower energies. The shift here is about -2.4 meV per nanometer distance change or -7 meV with a nanoparticle distance change of one percent. The slope of the coupled resonances and thus the sensitivity of the light intensity to a change in the lattice length of nanostructures can be increased even further if strip-like nanostructures are applied to the waveguide instead of nanocircles or ellipses. Model calculations have shown that with these structures, the slope can be increased by an order of magnitude. A further improvement can be expected from a strip arrangement whose grating structure has the characteristics of a Fabry-Perot interferometer for the wave modes of the waveguide.

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.The described significant shift of the resonance frequencies to lower energies with increasing the distance between the nano-particles allows the conception of a non-contact strain sensor according to the invention. If the distance of the nanoparticles on the waveguide is increased, this change in distance also corresponds to an elongation of the waveguide by the corresponding amount. As described, the shift in the waveguide eigenmode coupled to the plasmon resonance is -7 meV for a nanoparticle pitch change of one percent. At the same time, the gradient at the operating point is 1.8% extinction variation with a change of Energy around 1 meV, as in 4 is shown. This means that stretching by one percent produces a variation in extinction of 12.4%. The gradient extinction / photoenergy is in 4 with the through the working point 11 of the sensor extending straight line 10 shown. As said, the strain of the sensor shifts the waveguide resonant modes to lower energies. Thus, with constant photon energy, there is a significant and measurable change in extinction.

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. 5 now shows the basic structure of a sensor according to the invention. The entire device has a light source 12 , For example, a laser diode, and a detector 13 for intensity measurement, for example a photodiode. With the light source 12 becomes the surface of the specimen 14 illuminated, the specimen 14 in its construction according to 1 equivalent. He is on an object 15 applied, for example glued, whose extension is to be measured. The test piece 14 has a substrate 16 made of quartz glass with vapor-deposited ITO film 17 as a waveguide. The strengths of the layers according to those 1 specified. The refractive index of the substrate 16 is smaller than that of the waveguide 17 , On the ITO movie 17 vaporized are nanodots 18 ,

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.Of the maximum measuring range of the sensor results from the difference between maximum and minimum extinction. Starting from a maximum of 50% variation of extinction can the strain sensor detect an elongation of up to 4%.

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.The sensitivity of the strain sensor depends on the gradient at the operating point in the absorption energy curve and on the resolution of the detector. Is a material layer composite with island-like arrangement of nano-particles corresponding 1 is used, then according to the absorption spectrum of 4 a variation of extinction by 12.4% is expected when the sensor is stretched by 1 percent. However, if stripe patterns are provided as the layer structure, an increase in the resolution of one order of magnitude is to be expected. An intensity fluctuation of 12.4% is expected after an expansion of 0.1%. Further increases in sensitivity are possible when the stripe-shaped structure is deposited on the Fabry-Perot array waveguide.

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. 6 shows the structure of a sensor 5 which is extended by a reference specimen 19 , a reference detector 20 and a beam splitter 21 , The reference specimen 19 experiences in contrast to the specimen 14 no stretching through the object 15 , The intensity of the through the beam splitter 21 split beam is characterized by the properties of specimens 14 and reference specimens 19 modified. The measurement of the difference of the at the detectors 13 and 20 measured intensities is less sensitive to interference than the absolute intensity measurement according to the arrangement in 5 ,

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.It is also possible to use a flat mirror for reference measurement of the reference specimen. The absorbance to be measured would then result from In (I sample ) / In (I reference ). With this method, any change in temperature for a structured sample would be expressed. Only the reference intensity needs to be measured.

Claims (15)

Verfahren zur berührungslosen Messung von Änderungen einer Ausdehnung eines auf einen Gegenstand (15) aufgebrachten Probekörpers (1, 14), wobei insbesondere Änderungen des Probekörpers (1, 14) im Sub-Mikrometer Bereich zwischen 10 nm und 500 nm gemessen werden, wobei der Probekörper (1, 14) von einem Sender (12), insbesondere einer Lichtquelle, mit Primärstrahlung beaufschlagt wird, wobei vermittels eines Empfängers (13) die vom Probekörper (1, 14) modifizierte Primärstrahlung als Sekundärstrahlung aufgenommen wird, wobei aus dem Grad der Modifikation die Änderung der Ausdehnung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Änderungen der Ausdehnung eine Änderung der modifizierten Primärstrahlung beobachtet wird, wobei die Modifikation durch eine Anregung von Plasmonen im Probekörper (1, 14) hervorgerufen ist und wobei die Plasmonen in Nanopartikeln (Partikel-Plasmonen) angeregt werden, die auf der Oberfläche des Probekörpers (1, 14) sich befinden.Method for the non-contact measurement of changes in an extent of an object ( 15 ) applied test specimen ( 1 . 14 ), in particular changes of the test specimen ( 1 . 14 ) are measured in the sub-micrometre range between 10 nm and 500 nm, the specimen ( 1 . 14 ) from a transmitter ( 12 ), in particular a light source, is subjected to primary radiation, wherein by means of a receiver ( 13 ) from the specimen ( 1 . 14 ) modified primary radiation is detected as secondary radiation, wherein from the degree of modification, the change in the expansion is determined, characterized in that the changes in the expansion, a change in the modified primary radiation is observed, wherein the modification by excitation of plasmons in the test specimen ( 1 . 14 ) and wherein the plasmons are excited in nanoparticles (particle plasmons), which on the surface of the test specimen ( 1 . 14 ) to find oneself. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung einer Resonanz, insbesondere einer Absorptionsresonanz, beobachtet wird.Method according to claim 1, characterized in that that a shift of a resonance, in particular an absorption resonance, is observed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Dehnung als Signal einer Kraft, eines Drehmoments und/oder einer Temperatur ausgewertet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the measured strain as a signal of a force, a torque and / or a temperature is evaluated. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Störungskompensation ein in der Nähe des gedehnten Probekörpers (14) dehnungsfrei angebrachter Referenzkörper (19) gleichzeitig gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the purpose of interference compensation a near test piece ( 14 ) strain-free mounted reference body ( 19 ) is measured simultaneously. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation des Einstrahlwinkels der Primärstrahlung der Arbeitspunkt eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that by varying the angle of incidence of the primary radiation the operating point is set. Probekörper zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Materialverbund, aufweisend einen insbesondere dielektrischen Wellenleiter (2, 17), der auf einem Substrat (3, 16) aufgebracht ist, auf den Wellenleiter (2, 17) aufgebrachte Strukturen, insbesondere einzelne Partikel (4, 18), die zumindest in einer Dimension kleiner als ein Mikrometer sind und die bei Beaufschlagung mit Strahlung Partikel-Plasmonen ausbilden wobei der Materialverbund im Hinblick auf die Moden des Wellenleiters (2, 17) derart dimensioniert ist, dass die Partikel-Plasmonen und die Moden des Wellenleiters (2, 17) mit den einfallenden Wellen des Senders (12) in Resonanz kommen können, wobei eine Dehnung des Materialverbunds zu einer Verschiebung einer Resonanzfrequenz führt und wobei die Verschiebung die vom Detektor (13) gemessene Intensität von Transmission und/oder Reflexion der Primärstrahlung verändert.Test specimen for use in a method according to one of the preceding claims, characterized by a composite material, comprising a particular dielectric waveguide ( 2 . 17 ) mounted on a substrate ( 3 . 16 ) is applied to the waveguide ( 2 . 17 ) applied structures, in particular individual particles ( 4 . 18 ), which are smaller than a micrometer in at least one dimension and which form particle plasmons when exposed to radiation, wherein the material composite with respect to the modes of the waveguide ( 2 . 17 ) is dimensioned such that the particle plasmons and the modes of the waveguide ( 2 . 17 ) with the incident waves of the transmitter ( 12 ), wherein an expansion of the material composite leads to a shift of a resonance frequency and wherein the displacement of the detector ( 13 ) measured intensity of transmission and / or reflection of the primary radiation changed. Probekörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3, 16) als angrenzende Schicht einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Wellenleiters (2, 17).Test specimen according to claim 6, characterized in that the substrate ( 3 . 16 ) has as an adjacent layer a refractive index which is smaller than the refractive index of the waveguide ( 2 . 17 ). Probekörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur zur Erzeugung der Partikel-Plasmonen gebildet wird von einer systematischen Anordnung (Array) von Nanopartikeln (4, 18), die insbesondere in einer Dimension eine Ausdehnung von weniger als 200 Nanometern haben.Test specimen according to Claim 6 or 7, characterized in that the structure for producing the particle plasmons is formed by a systematic arrangement (array) of nanoparticles ( 4 . 18 ), which in particular in one dimension have an extent of less than 200 nanometers. Probekörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (4, 18) als Inseln oder Streifen auf den Wellenleiter (2, 17) aufgebracht sind, die insbesondere aus Dielektrika bestehen.Test specimen according to claim 8, characterized in that the nanoparticles ( 4 . 18 ) as islands or stripes on the waveguide ( 2 . 17 ) are applied, which consist in particular of dielectrics. Probekörper nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur entsprechend einem Fabry-Perot-Interferometer aufgebaut ist und damit die Halbwertsbreite der Wellenleiter-Moden-Resonanz verringert werden kann, um die Sensitivität zu erhöhen.specimens according to claim 8, characterized in that the structure according to a Fabry-Perot interferometer is constructed and thus the half-width the waveguide-mode resonance can be reduced to increase the sensitivity. Probekörper nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmonen, die Moden des Wellenleiters (2, 17) und das Licht der Lichtquelle (12) in einem Bereich zwischen 200 nm und 2000 nm liegen.Test specimen according to one of claims 6 to 10, characterized in that the plasmons, the modes of the waveguide ( 2 . 17 ) and the light of the light source ( 12 ) are in a range between 200 nm and 2000 nm. Probekörper nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2, 17) aufweist Verbindungen auf der Basis von Indium-Zinn-Oxid (ITO), Ta2O5, TiO2, Si und/oder SiON.Test specimen according to one of claims 6 to 11, characterized in that the waveguide ( 2 . 17 ) has compounds based on indium tin oxide (ITO), Ta 2 O 5 , TiO 2 , Si and / or SiON. Probekörper nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2, 17) zur Messung von größeren Dehnungen Polymere aufweist.Test specimen according to one of claims 6 to 12, characterized in that the waveguide ( 2 . 17 ) has polymers for measuring larger strains. Probekörper nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2, 17) eine variierende Schichtdicke oder die Struktur eine lateral variierende Anordnung aufweist, damit sich durch die Wahl des von der Lichtquelle (12) beleuchteten Bereichs der gewünschte Messbereich einstellen lässt.Test specimen according to one of claims 6 to 13, characterized in that the waveguide ( 2 . 17 ) has a varying layer thickness or the structure has a laterally varying arrangement, so that by the choice of the light source ( 12 ) can set the desired measuring range. System aufweisend einen Probekörper (1, 14) nach einem der vorherigen Ansprüche, der auf einen zu untersuchenden Gegenstand (15) aufgebracht ist, und aufweisend einen Sender (12) der den Probekörper (1, 14) mit Primärstrahlung bestrahlt, aufweisend einen Empfänger (13), der die vom Probekörper (1, 14) modifizierte Sekundärstrahlung aufnimmt, und aufweisend eine Auswerteeinheit, die aus der durch die Dehnung des Probekörpers (1, 14) erzeugten Modifikation der Sekundärstrahlung die Dehnung ermittelt.System comprising a test specimen ( 1 . 14 ) according to one of the preceding claims, which relates to an object to be examined ( 15 ), and comprising a transmitter ( 12 ) of the specimen ( 1 . 14 ) is irradiated with primary radiation, comprising a receiver ( 13 ), that of the specimen ( 1 . 14 ) receives modified secondary radiation, and comprising an evaluation unit which is formed by the strain of the test specimen ( 1 . 14 ) produced modification of the secondary radiation determines the strain.
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