Ziel der Entwicklung
Nicht-Dispersive Infrarot (NDIR) Gassensoren bieten einen driftfreien, langzeitstabilen und im Vergleich zu anderen Verfahren Quereinfluss-unempfindlichen Zugang zur Konzentrationsmessung zahlreicher Gase. Die Messung basiert auf der Infrarot-Durchleuchtung (IR) eines Gasvolumens und der in verschiedene Spektralbereiche zerlegten Intensitätsmessung des Lichts. Die Zerlegung erfolgt dabei im Stand der Technik durch mehrere optische Filter, die als separate Elemente des Sensorsystems im Strahlengang eingebracht werden. Diese erhöht die Komplexität, Bauform und die Kosten solcher Sensoren. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Gasmesssystems basierend auf photonischen Kristallen, die integriert in die Infrarotemitter zu einer Selektion des spektralen Ausstrahlverhaltens führen. Diese sind entweder als Filter zwischen einem Infrarotemitter, der ein Schwarzkörperspektrum aussendet, sowie einem Thermopile eingebaut oder in die Infrarotemitter als wellenlängenselektive Deckschicht integriert. Durch die Verwendung der photonischen Kristalle soll der Aufbau im Vergleich zu kommerziellen Systemen optimiert und miniaturisiert werden.
Vorteile und Lösungen
Ziel des Projekts war die Erzeugung von photonischen Kristallen. Letztere weisen winzige in regelmäßigen Abständen angeordnete Strukturen auf und zeichnen sich durch eine periodische Änderung des Brechungsindexes aus. Im Projekt wurden photonische Kristalle, basierend auf kreisrunden Löchern in einer dotierten Siliziumschicht untersucht. Angelehnt an reale Lochstrukturen wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt. Zunächst wurde ermittelt, wie das zugrundeliegende Silizium und die Struktur beschaffen sein müssen, um die gewünschten optischen Effekte aufzuweisen. Anschließend erfolgte die Überprüfung der Simulationen an gefertigten Teststrukturen. Durch Einstellung der Gitterperiode der Löcher kann das Absorptionsmaximum über weite Wellenlängenbereiche verschoben werden. Im Fertigungsprozess wird das Ausgangsmaterial Silizium an spezifischen Stellen mit zusätzlichen Ladungsträgern versehen, diverse Schichten abgeschieden und anschließend die Lochstruktur erzeugt. Der entscheidende Vorteil der Lösung ist, dass sich diese speziellen wellenlängenselektiven Filter auch direkt als Teil der elementaren Baugruppen von NDIR-Sensoren – nämlich IR-Strahler beziehungsweise IR-Detektoren – implementieren lassen. Dazu ist lediglich ein zusätzlicher Strukturierungsprozess bei der Waferbearbeitung der Halbleiterbauelemente erforderlich. Komplexe Mehrschichtsysteme wie bei etablierten Interferenzfiltern und damit verbundene technologische Herausforderungen durch thermomechanische Spannungen beim Betrieb der Chips können vermieden werden. Dies ermöglicht kompaktere und kostengünstigere Systeme.
Zielgruppe und Zielmarkt
Direkt auf Infrarot Emittern und Detektoren integrierte photonische Strukturen ermöglichen eine Wellenselektion, die bisher nur durch nachträgliche hybride Montage von optischen Filterelementen möglich war. Die direkte Integration reduziert dabei sowohl die Baugruppengröße als auch die Kosten. Benötigt werden solche wellenselektiven IR-Komponenten vorrangig bei der kontaktlosen (Körper-) Temperaturmessung und bei optischen Gassensoren. Die Zielgruppe für den Transfer der Projektergebnisse sind vorrangig Sensor- und Gerätehersteller, die Module und Geräte für solche Anwendungen entwickeln und produzieren. Die Transferunternehmen können dabei die Vorteile für das Erreichen kompakterer Sensoren und geringerer Kosten in ihren Systemen nutzen und an die Endanwender übertragen. Der Fokus lag bisher auf der industriellen Prozessmesstechnik und Gebäudeautomation im Bezug auf eine bedarfsgerechte Belüftungsregelung. Bedingt durch die Corona-Pandemie steigt die Nachfrage nach solchen Komponenten massiv an.
