Themen und Exponate aus dem Bereich Materialien und Prozesse I Bauteile und Komponenten

Quantensensoren sind wichtige Bausteine für zukünftige Anwendungen im Weltraum und für grundlegende wissenschaftliche Missionen, etwa für die nächste Generation globaler Satelliten-Navigationssysteme, für die Erdbeobachtung und für fundamentale Fragestellungen wie Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Hierfür hat das Ferdinand-Braun-Institut ein mikro-integriertes Spektroskopiemodul entwickelt. Es dient als optische Frequenzreferenz für die Laser, mit denen die Rubidium-Atome atominterferometrischer Sensoren gekühlt und manipuliert werden. 

Vorteile:

• sehr kompakt (120 x 75x 23 mm³) 
• geringe Masse (750 g)
• weltraumtaugliche Technologie
• für verschiedene Spektroskopieverfahren geeignet (z. B. Frequenzmodulations-Spektroskopie, Modulationstransfer-Spektroskopie)

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Für ein optimales Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik ist es notwendig, die jeweiligen Systeme als eine Einheit zu betrachten. Aus diesem Grund werden MEMS und ASIC aufeinander abgestimmt und iterativ entwickelt. Ein Gyroskop zur Detektion einer Drehrate bzw. Drehgeschwindigkeit wurde entwickelt, das eine erhöhte Sensitivität und verbesserte thermische Stabilität mit Blick auf die Drift des Sensors und eine Verkleinerung der elektrischen Durchkontakte im Silizium-Chip vorweisen kann.

Projekt KoliBriS: »Kompakte leistungsarme Breitbandsensoren mit integrierter Schaltungselektronik« 

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Kernelement des kompakten Turnkey-Lasersystem ist ein Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser für SERDS. Mit SERDS lassen sich Raman-Signale effizient und schnell von störenden Hintergrundsignalen wie Fluoreszenz oder Tageslicht extrahieren. Der monolithische Y-DBR-RW-Diodenlaser des Ferdinand-Braun-Instituts emittiert abwechselnd Licht auf zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Beide Wellenlängen werden über zwei separate DBR-Gitter im Halbleiter stabilisiert. Der spektrale Abstand für SERDS kann mittels implementierter On-Chip-Mikroheizungen elektrisch feineingestellt werden. Das System wurde für Wellenlängen um 785 nm, 671 nm und 488 nm getestet und erfolgreich für Raman-Messungen in den Lebenswissenschaften und im Anwendungsfeld Agri-Photonik eingesetzt. 

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Extrem flexibel und in alle Richtungen drehbar ist dieser innovative Messplatz am in der FMD kooperierenden Institut Fraunhofer IAF: Indem wir sowohl Hochfrequenzsensoren als auch optische Sensoren an einen frei beweglichen Roboterarm anschließen, können Bauelemente dreidimensional aus unterschiedlichen Winkeln und Abständen zuverlässig geprüft werden. So charakterisieren wir die Strahlungseigenschaften von Antennen (60–300 GHz), führen 3D-Oberflächenscans durch und liefern tomographische Bilder von dielektrischen Objekten. Der Messplatz kann je nach Anwendungsszenario angepasst werden. 

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Aufgrund der hohen Preise kommen spektrale Sensoren in preissensitiven Anwendungsbereichen kaum zum Einsatz. Die am Fraunhofer IIS entwickelte nanoSPECTRAL-Technologie ermöglicht jedoch eine kostengünstige Herstellung der benötigten optischen Filter. Diese können direkt im CMOS-Halbleiterprozess hergestellt werden, sodass unabhängig von der Anzahl der zu realisierenden spektralen Kanäle die Produktionskosten praktisch konstant bleiben. Auf Basis dieser Technologie ist es möglich, für beliebige Anwendungen (z. B. für die Analyse von Nahrungsmittel, Umweltanalytik oder Smart Lighting) die entsprechend notwendige (hohe) Kanalanzahl zu realisieren.

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Der vom Fraunhofer IIS entwickelte entwickelte Algorithmus erlaubt es erstmals, alle sechs mechanischen Freiheitsgrade mit nur einem Messsystem zu bestimmen. Das Messsystem, welches aus nur einem Magnet sowie einem Sensorchip besteht, ermöglicht sehr hohe Messraten mit höchster Genauigkeit und ist zudem robust gegenüber Temperaturschwankungen sowie Fremdfeldern. Die »HallinMotion«-Technologie eignet sich damit besonders für hochgenaue Anwendungen im Bereich der Industrie-Automatisierung aber auch im Automobilbau oder der Weißen Ware. Darüber hinaus kann der Algorithmus auch bei 1D- oder 2D-Systemen eingesetzt werden, bei denen störende Querbewegungen bisher eine höhere Genauigkeit verhindert haben.

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Aufgrund ihrer Eigenschaften als Wide-Bandgap-Halbleiter wurden 4H-SiC UV Sensoren für die Detektion von UV A/B-Strahlung optimiert. Dadurch zeigen sie eine starke Absorption im Zielbereich und sind im sichtbaren Spektrum per se blind. Als Alternative zu epitaktisch gewachsenen Emittern ermöglicht die Ionenimplantation eine Herstellung von flachen homogenen Emitter mit geringer intrinsischer Ladungsträgerkonzentration, sehr kleinem Dunkelstrom und einer derzeitigen EQE von bis zu 60 %. Anwendungsbeispiele sind UV Wasserreinigung, Flammen- und Hitzeerkennung oder Sonnenlicht UV Überwachung.

SiC ermöglicht es neue Bereiche in einer Vielzahl von Sensorik-Anwendungsgebieten, u. a. Temperatur-, UV- oder Magnetfeld-Sensorik, abzudecken. Eine höhere thermische Stabilität im Vergleich zu Silicium erhöht beispielsweise den Temperaturanwendungsbereich auf aktuell 600 °C mit der Möglichkeit für noch höhere Temperaturen in der Zukunft. Eine Kombination von Sensorik mit »On-chip« Verstärkung bietet zusätzlich kompakte und stabile Schaltungen die monolithisch integrierbar sind. Ein Anwendungsbeispiel wäre ein auf SiC CMOS Technologie basierender monolitisch integrierbarer Gatetreiber.

Das Applikationslabor wird im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag«, kurz für Quantenmagnetometrie, errichtet. In dem Projekt entwickeln Forschende von sechs Fraunhofer-Instituten in Zusammenarbeit mit den Universitäten Stuttgart und Boulder, Colorado (USA) Quantensensoren für den hochempfindlichen Nachweis von Magnetfeldern. Um den Transfer dieser Quantensensoren in industrielle und medizintechnische Anwendungen zu stärken, wird das Fraunhofer IAF im neuen Applikationslabor mehrere Quantenmagnetometer in Betrieb nehmen, um diese Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft verfügbar zu machen. Die Quantenmagnetometer im Applikationslabor werden speziell für die Nutzung durch Unternehmen optimiert und eignen sich so zur Evaluation verschiedenster industrieller Fragestellungen. Ebenso wird eine Plattform für Service- und Auftragsmessungen entstehen, damit Industriekunden die Leistungsfähigkeit von Quantensensorik mit der von klassischen Sensorsystemen vergleichen zu können. Um die Nutzung und Bedienung der Quantensensoren zu erleichtern, sollen Software-Pakete entwickelt werden, die sich auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation anpassen lassen. 

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Der Apfel mit braunen Stellen, der Joghurt mit abgelaufenem Mindesthaltbarkeitsdatum: Diese Lebensmittel landen allzu oft im Abfall. Allein in Deutschland entsorgt jede:r Bürger:in im Durchschnitt 85 Kilogramm Nahrungsmittel pro Jahr. Das in der FMD kooperierende Institut Fraunhofer IPMS arbeitet an einem miniaturisierten Spektrometer, das helfen kann, den Umgang mit Lebensmitteln zu verbessern. Das Mikrospektrometer ist in der Lage, die Zusammensetzung, den Reifegrad und auch die Qualität von Lebensmitteln zu bestimmen. Mittlerweile konnte das Gerät so miniaturisiert werden, dass es in Smartphones verbaut werden könnte.

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Industrielle Bildverarbeitung gilt als Schlüsseltechnologie zur Automatisierung von Produktionsprozessen und ist somit eine Grundvoraussetzung für Entwicklungen rund um Industrie 4.0. Hierfür bietet das Fraunhofer IIS/EAS Lösungen zum Inline-Monitoring, die die Qualitätsüberwachung und Prozessregelung unterstützen. Zum Einsatz kommen hierbei Sensoren und Algorithmen zur schnellen und präzisen 2D- und 3D-Oberflächen-Vermessung, u. a. mit Laserlichtschnitt. Weiterhin können mit dem Vision-Systems-on-Chip alle Verarbeitungsprozesse von der Bildaufnahme und -analyse bis hin zur Merkmalsextraktion auf programmierbarer Hardware abgebildet und minimale Latenzzeiten erreicht werden.

Das in der FMD kooperierende Institut Fraunhofer IIS entwickelt individuelle Lösungen für Sensorik und Analyse von physiologischen Parametern. Für die Erfassung der physiologischen Parameter werden z. B. Elektroden, Atmungsbänder oder kapazitive Sensorik genutzt. Damit die diskreten Sensormodule Vitaldaten in Echtzeit und mobil erfasst werden können, setzt das Fraunhofer IIS auf Embedded Systems sowie Low-Power Elektronik. Die miniaturisierte anwendungsnahe Integration, z. B. in Textilien, Möbeln oder Fahrzeugen, erlaubt eine mobile Datenaufnahme im Alltag. Für die Analyse der aufgenommenen Biosignale werden diese aufbereitet und Sekundärparameter, wie Herzrate oder Herzratenvariabilität, berechnet.

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Zusammen mit Projektpartnern entwickelte das in der FMD kooperierende Institut Fraunhofer ENAS ein Sensormodul und eine Schreib-/Lesestation, die Produkte unterstützen, ihren Produktionsablauf selbst zu steuern. Die Schreib-/Lesestation, über die Produktions- und Sensordaten vom Sensormodul an die Anlage transferiert werden, kann an beliebigen Positionen in der Anlage eingebaut und über einen Industriebus wie OPC-UA oder Profinet angebunden werden. Dazu wurde ein proprietäres Protokoll für RFID-Übertragungen entwickelt. Um das RFID-Modul mit Energie zu versorgen, wurde der Datenkommunikationskanal um einen drahtlosen Stromübertragungskanal erweitert.

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Die technologische Entwicklung der Mikroelektronik verläuft immer rasanter und stellt gerade den Mittelstand vor erhebliche Herausforderungen, da für innovative und leistungsfähige Produkte häufig keine Standardhalbleiter verwendet werden können. Vor dem Hintergrund, dass für kleine und mittlere Unternehmen der finanzielle und zeitliche Aufwand für eine eigene Entwicklung meist zu hoch ist, zielt das Projekt USeP darauf ab, eine neuartige Sensor-Plattform (»Universelle Sensor-Plattform«) zu erarbeiten, mit der zukünftig nach dem Baukastenprinzip verschiedenste innovative Komponenten automatisiert generiert und zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden können. 

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Die Fließfähigkeit und das spezifische Gewicht organischer Flüssigkeiten wie Schmieröle und Kraftstoffe sind für viele Anwendungen entscheidende Parameter. Am Fraunhofer ENAS wurde deshalb ein Viskositäts- und Dichtesensor entwickelt, der auf der Basis von MEMS-Resonatoren arbeitet, die durch das zu testende Fluid beeinflusst werden.

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Das in der FMD kooperierende Institut Fraunhofer ENAS entwickelt Technologien für kosteneffizient hergestellte und umweltfreundliche Sensorsysteme, die sowohl beim Umweltmonitoring als auch zur Überwachung von landwirtschaftlichen Anbauflächen einsetzbar sind. Die Sensoren bestehen aus einem Elektronikmodul mit einem Single-Chip-Funksystem und Sensoren für die Luft- und Bodentemperatur, einem Irrigationssensor zur Überwachung der Bewässerung sowie einer gedruckten Antenne und einer gedruckten Batterie, die in einem kunststoffbeschichteten Zellulosesubstrat eingeschlossen sind. Das Funksystem gewährleistet eine direkte Kommunikation der Daten zu einem auf dem Feld installierten Gateway.

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Ein einachsiger Beschleunigungssensor bis 1,5 g mit einer Signalbandbreite von 100 Hz bis 8500 Hz wurde entwickelt. Durch Zustellen und Mikroschweißen werden die geätzten 3 µm breiten Initialspalte auf ca. 500 nm reduziert und an geeigneten Stellen stoffschlüssig fixiert, um somit die kapazitive Empfindlichkeit deutlich zu erhöhen. Die Stromaufnahme des Sensorsystems (Mikromechanik und integrierte Elektronik) liegt bei 500 µA während des Betriebs und der Sensor ist zur Detektion geringster Schwingungen geeignet. Ein weiterer Beschleunigungssensor mit einer Range von ± 20 g wurde für eine Anwendung zur Pumpenüberwachung entwickelt.

Projekt KoliBriS: »Kompakte leistungsarme Breitbandsensoren mit integrierter Schaltungselektronik« 

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Wie verändern sich Zusammensetzungen von chemischen Substanzen unter äußeren Einflüssen? Welche Substanzen befinden sich in einer Lösung oder Flüssigkeit? Unsere innovativen Quantenkaskadenlaser (QCL) finden die Antwort. QCLs identifizieren chemische Substanzen wesentlich zuverlässiger als vergleichbare Nahinfrarot- oder Ramanspektroskopie. Darüber hinaus arbeitet unser System in Echtzeit: Feste, flüssige oder gasförmige chemische Stoffe werden in nur einer Millisekunde erkannt – ein echter Fortschritt für die In- und Online-Prozesskontrolle. Durch seine breite spektrale Abstimmbarkeit im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 4 und 11 μm sowie seine hohe spektrale Brillanz, ist der QCL für verschiedenste Messaufgaben hervorragend geeignet.

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