Nachhaltige IR Technologie - Forschungsprojekt von der Materialauswahl bis zum Herstellungsprozess

POxIR: Herstellung polykristalliner oxidischer IR Fenster und deren Integration in einen IR Sensor

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Motivation

Das Trendbewusstsein für nachhaltige Lösungen, um Umweltbelastungen zu reduzieren, spielt auch in der Elektronikbranche eine immer größere Rolle. Deshalb befassen sich nun im Forschungskonsortium Micro-Hybrid Electronic GmbH, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und 5microns GmbH mit der Entwicklung neuartiger IR-Fenster für Sensoren zur Prozessüberwachung.

Ziel

Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen polykristalline oxidische IR-Fenster hergestellt und in einen IR-Sensor integriert werden, der harschen Umweltbedingungen standhält. Die Anwendungen zielen auf den Nahinfrarot- (NIR) und Mittelinfrarotbereich (MIR) bis ca. 9µm, um einen erweiterten Wellenlängenbereich im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Saphir zu ermöglichen. Langfristig hat die Entwicklung Potenzial für neue Märkte im Bereich der Kohlenstoffdioxid- CO2, Methan- CH4, Stickstoffoxide- NOx und Ammoniak- NH3 Messungen. Der Herstellungsprozess und die Materialauswahl sollen gleichzeitig einen Beitrag zur CO2-Reduzierung und dem Umweltschutz leisten.

Herausforderungen

Die entscheidende Herausforderung ist, ein geeignetes Material zu finden, das transparent für Infrarotstrahlung und gleichzeitig chemisch, mechanisch und thermisch sehr stabil ist. Bisherige Materialien sind entweder nicht ausreichend stabil gegenüber Umweltbedingungen oder erfordern einen hohen Energie- und Ressourceneinsatz in der Herstellung. Zudem gibt es bisher keine etablierten Lösungen für die Integration von Transparentkeramik als Filtermaterial in elektronische Mikrosysteme und auch die Wechselwirkung dieses Materials mit Beschichtungsprozessen ist unerforscht. Im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik müssen schließlich Lösungen gefunden werden, das IR-Fenster seriell und kosteneffizient zu integrieren.

Lösung

Die Materialforschung des IKTS setzt auf oxidkeramische Werkstoffe, die so stark verdichtet werden, dass die erreichte Homogenität der Korngrenzen die Keramik transparent erscheinen lässt. Durch aufeinanderfolgende Trocknungs- und Pressschritte erreicht das Grundmaterial seine Transparenz bei sehr hoher Reinheit.
Der Projektpartner 5microns erforscht geeignete Materialkombinationen und Herstellungsverfahren für die metallischen Dünnschichten auf den Transparentkeramiken, um die hermetische Dichtheit zu realisieren. Im Rahmen einer Grundlagenforschung wird getestet, wie gut die Schichten an die Keramik binden und ob es möglich ist, sie dauerhaft zu fixieren.
Micro-Hybrid fokussiert sich darauf, die Komponenten kosteneffizient und technisch effektiv zusammenzufügen, damit sie später in einem marktfähigen Produkt resultieren. Das Entwicklerteam sucht dabei nach alternativen Löttechniken innerhalb der Aufbau- und Verbindungstechnik. Weitreichendes Marktverständnis und –erfahrung der Micro-Hybrid hinsichtlich Kundenanforderungen und Branchentrends sind bei der Definition von Transmission, Beständigkeit und geometrischem Design wegweisend.

Im Forschungskonsortium sind Micro-Hybrid Electronic GmbH, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und die 5microns GmbH vereint. Sie erhalten Zuwendungen aus dem Förderprogramm des Freistaats Thüringen zur Förderung von Forschung, Technologie und Innovation (FTI) im Rahmen des Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
EFRE Projektnummer: 2023 VFE 0018
Projektzeitraum: 10I2023 - 09I2026