Forschung und Entwicklung in der Sensorik

Im Rahmen einer Innovationsprämie mit finanzieller Unterstützung der Sächsischen Aufbaubank und des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen Union haben die Partner InfraTec und das Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz einen Chiphalter für pyroelektrische DLaTGS-Sensorelemente entwickelt.

Mit DLaTGS als pyroelektrischem Material lassen sich Detektoren bauen, die den allerhöchsten Anforderungen an das Signal-Rauschverhältnis genügen. Für bestimmte Anwendungen wie z. B. FTIR-Spektrometer sind sie daher unverzichtbar. Gleichzeitig stellt das Material DLaTGS höchste Ansprüche an die Verarbeitung und die Handhabung, da es wasserlöslich, sowie bruch- und temperaturempfindlich ist. Der Chiphalter muss folglich auf sehr spezifische Anforderungen hin optimiert werden, welche sich aus der Anwendung (FTIR) sowie den Materialeigenschaften von DLaTGS ergeben.

Die von den Partnern entwickelte Lösung basiert auf der Silizium-Mikromechanik (MEMS-Technologie). Es wurden verschiedene Varianten entworfen, hergestellt und erfolgreich evaluiert.

InfraTec entwickelt und fertigt leistungsfähige Detektoren sowie Speziallösungen, die höchsten Anforderungen gerecht werden.

Um den Aufwand für Kunden zu reduzieren und die Systemintegration eines Detektors zu vereinfachen, hat InfraTec den digitalen pyroelektrischen Detektor PyrIQ entwickelt. Er ermöglicht volle Flexibilität bei der Konfiguration der Detektorparameter und somit eine variable Signalverarbeitung. Zudem bietet er eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und wandelt das analoge Signal mit einer 16-Bit-Auflösung direkt in ein digitales Signal um. Eine weitere Besonderheit ist die „Fast Recovery after Saturation“. Diese Funktion detektiert die Übersteuerung durch einen fehlerhaften Betriebszustand und setzt die analoge Eingangsstufe automatisch zurück.

Im Projekt KERAMIR wollen die Partner InfraTec und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen Union die technologischen Grundlagen für eine vollkommen neue Klasse keramik¬basierter IR-Emitter legen. Diese sollen sich besonders durch eine hohe Strahlungsleistung im mittleren und fernen Infrarotbereich, hervorragende Langzeitstabilität der optischen und elektrischen Eigenschaften, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sowie eine sehr kompakte oberflächenmontierbare Bauform auszeichnen. Um diese teils widerstrebenden Anforderungen zu erfüllen, wird die keramische Mehrlagentechnologie eingesetzt. Dadurch kann der IR-Emitter als vollständig monolithisches Keramikbauteil realisiert werden. Die Kerninnovation besteht darin, dass die strahlende Fläche als dünne freitragende keramische Membran in Kombination mit einer dünnen metallischen Schicht ausgeführt wird.

Gaswarngeräte zur Erkennung explosiver und brennbarer Gase sind ein unerlässlicher Bestandteil der Schutzausrüstung von Feuerwehr, Katastrophenhilfe und anderer ziviler Schutzkräfte. Anhand dieser Geräte können Helfer erkennen, ob am Notfallort eine explosionsfähige Atmosphäre herrscht, die eine ansonsten nicht erkennbare Gefahrenlage darstellt. Für ein schnelles, sicheres und effizientes Eingreifen ist eine möglichst genaue Kenntnis über die explosiven Gase und deren räumliche Ausdehnung entscheidend. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung und Bildung geförderten Projektes MIREX, das im Mai 2019 endet, arbeitet InfraTec an der Entwicklung eines neuartigen Geräts, das eine schnellere und genauere Beurteilung der Gefahrenlage unterstützt.

Ein Messinstrument, das wissenschaftlich fundierte Daten ermitteln soll, muss zuvor kalibriert werden. Erst danach kann es verlässliche Informationen ausgeben, die als vergleichbar und wiederholgenau gelten. Institutionen wie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) oder das National Institute of Standards and Technology (NIST) legen als führende Instanzen weltweit die Grundlage für eine korrekte Kalibrierung von Messinstrumenten. InfraTec unterstützt die Arbeit von PTB und NIST und stellt ihnen Detektoren wie den LIE-651 zur Verfügung.

Pyroelektrische Detektoren sind sensible Bauteile. Damit sie über ihre gesamte Lebensdauer hinweg korrekte Signale liefern, muss in ihrem Gehäuse eine exakt definierte Atmosphäre herrschen. Denn bereits geringe Mengen beispielsweise von Feuchte im Inneren der Detektoren rufen Leckströme hervor und verursachen so Abweichungen von den Funktionsparametern. Verhindern kann dies nur ein absolut hermetisch dichter und langzeitstabiler Gehäuseverschluss. InfraTec hat mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen Union ein breitbandiges, lötbares Infrarot-Fenster entwickelt, das einen solchen Schutz gewährt.

Seit langem verwendet InfraTec für seine pyroelektrischen Infrarotdetektoren aus metallischen Formätzteilen gefertigte Chipträger. Nicht immer erreichen die nur wenige Millimeter großen Komponenten in Bezug auf Formgebung und Abmessungen die gesetzten Vorgaben. Zudem können Abweichungen vom eigentlichen Design ungewollt veränderte Detektoreigenschaften nach sich ziehen. In der Produktion erhöhen sich entsprechend Prüfaufwand und Ausschuss beträchtlich. Alternative Fertigungsmethoden für Chipträger besitzen das Potential, hier gleichmäßigere Ergebnisse zu erzielen. Mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung der Europäischen Union forscht InfraTec deshalb an Bauteilen, die aus spritzgegossenem metallisierten Kunststoff bestehen.