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

Kompetenz entlang der Wertschöpfungskette – Beispiele für die Realisierung von Bauteilen und Komponenten

Kompaktes und robustes Spektroskopiemodul für Quantensensoren

Leibniz FBH

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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© Leibniz FBH

Modulare Technologieplattform für hochkompakte Inertialsensoren mit integrierter Schaltungselektronik – Beispiel Gyroskop

Fraunhofer ENAS

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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© Fraunhofer ENAS

Shifted Excitation Raman Difference Spektroskopie (SERDS) – kompaktes Turnkey-Lasersystem für Vor-Ort-Messungen

iCampus Cottbus: Leibniz FBH, Leibniz IHP, Fraunhofer IPMS und Fraunhofer IZM

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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© Leibniz FBH

Applikationslabor Millimeterwellen

Fraunhofer IAF

Extrem flexibel und in alle Richtungen drehbar ist dieser innovative Messplatz an unserem FMD-Institut, dem 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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© Fraunhofer IAF

Miniaturisierte optische Spektrometer

Fraunhofer IIS

Aufgrund der hohen Preise kommen spektrale Sensoren in preissensitiven Anwendungsbereichen kaum zum Einsatz. Die am FMD-Institut 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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© Fraunhofer IIS

HallinMotion - mehrdimensionale Positionsmessung

Fraunhofer IIS

Der von unserem FMD-Institut, dem Fraunhofer IIS, 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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© Fraunhofer IIS

UV-A/B-optimierte 4H-SiC-UV-Sensoren

Fraunhofer IISB

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.

© Fraunhofer IISB

Hochtemperatur-Sensorik auf 4H-SiC CMOS-Technologie

Fraunhofer IISB

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.

© Fraunhofer IISB

Applikationslabor Quantensensorik

Fraunhofer IAF

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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© Fraunhofer IAF

Spektroskopie - Lebensmitteldetektiv im Miniaturformat

Fraunhofer IPMS

Der Apfel mit braunen Stellen, der Joghurt mit abgelaufenem Mindesthaltbarkeitsdatum: Diese Lebensmittel landen allzu oft im Abfall. Allein in Deutschland entsorgt jeder Bürger im Durchschnitt 85 Kilogramm Nahrungsmittel pro Jahr. Das FMD-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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© Fraunhofer IPMS

Industrielle Bildverarbeitung

Fraunhofer IIS/EAS

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.

© Fraunhofer IIS/EAS / Oliver Killig

Entwicklung intelligenter Sensormodule für mobiles Monitoring

Fraunhofer IIS

An unserem FMD-Institut, dem Fraunhofer IIS, entwickeln wir individuelle Lösungen für Sensorik und Analyse von physiologischen Parametern. Für die Erfassung der physiologischen Parameter nutzen wir z.B. Elektroden, Atmungsbänder oder kapazitive Sensorik. Damit unsere diskreten Sensormodule Vitaldaten in Echtzeit und mobil erfassen können, setzen wir 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 bereiten wir diese auf und berechnen Sekundärparameter, wie Herzrate oder Herzratenvariabilität.

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© Fraunhofer IIS

Drahtlose intelligente Sensorsysteme zur produktbasierten Steuerung industrieller Produktionsanlagen

Fraunhofer ENAS

Zusammen mit Projektpartnern entwickelte das FMD-Mitglied 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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© Fraunhofer ENAS

Universelle Sensor-Plattform

Fraunhofer ENAS, IIS/EAS, IPMS, IZM-ASSID

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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© Fraunhofer IIS/EAS

Viskositäts- und Dichtesensor für Öle

Fraunhofer ENAS

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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© Fraunhofer ENAS

Irrigationssensor

Fraunhofer ENAS

Das FMD-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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© Fraunhofer ENAS

Modulare Technologieplattform für hochkompakte Inertialsensoren mit integrierter Schaltungselektronik – Beispiel Beschleunigungssensoren

Fraunhofer ENAS

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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© Fraunhofer ENAS

Applikationslabor Laserspektroskopie

Fraunhofer IAF

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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© Fraunhofer IAF

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Trotz der Absage der Sensor + Test im Jahr 2020 bleiben die Neuentwicklungen der FMD relevant. Wir möchten Sie einladen, sich einen Überblick über die Sensorik-Themen und Systeme unserer Mitgliedsinstitute zu verschaffen.

 

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