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Prof. Dr.-Ing. Jens Müller

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INHALTE

MUSIK - Multiphysikalische Synthese und Integration komplexer Hochfrequenz-Schaltungen

SiCer-Substrat mit auf der Keramikseite integrierten Silizium-Chips

Die Forschergruppe FOR 1522 „MUSIK“ (Multiphysikalische Synthese und Integration komplexer Hochfrequenz-Schaltungen), gefördert von der DFG (ersten Projektphase: 2012 – 2015) erforscht die steuernden, oszillierenden und schaltenden Eigenschaften mikroelektromechanischer Systeme mit dem Ziel, diese über einen durchgängigen Entwurf energieeffizienter und rekonfigurierbarer Schaltungen für Anwendungen in der Funkkommunikation und –sensorik zu nutzen.

Als Materialbasis dient dabei ein neuartiges Silizium-Keramik-Verbundsubstrat (SiCer), dessen vorteilhafte Eigenschaften untersucht und durch Kombination beider Material- bzw. Technologieklassen gezielt weiterentwickelt werden.

MUSIK Phase 2

Hauptziel der für die zweite Phase (2016 – 2018) vorgesehenen Arbeiten im Fachgebiet Elektroniktechnologie ist die Umsetzung des MUSIK-Demonstrators auf einer SiCer-Plattform mit einem durchgehenden Technologie-Durchlauf. Ähnlich der Halbleiterprozessierung von elektronischen Bauelementen werden die Technologieschritte für die einzelnen Funktionselemente (Schalter, Resonator etc.) aufeinander abgestimmt, so dass diese parallel gefertigt werden können.

Alle Verdrahtungsebenen zur Verschaltung der einzelnen Funktionselemente sowie der hybrid zu integrierenden CMOS-Baugruppen werden durch Vor- und Nachprozessieren des SiCer-Substrats im Keramik-Layer realisiert. Als letzter Prozessschritt erfolgt die Hybrid-Integration der CMOS-Funktionselemente mittels adaptierter Chipbond-Verfahren auf dem SiCer-Substrat.

 Die Umsetzung des Hauptziels erfolgl in drei Schritten:

  1. Realisierung aller HF-MEMS-Komponenten auf einem SiCer-Substrat als eigenständige HF-Funktionselemente
  2. Realisierung verschalteter HF-Funktionsgruppen auf einem SiCer-Substrat
  3. Umsetzung der Demonstrator-Plattform mit verschalteten Funktionsgruppen und hybrid integrierten CMOS-Baugruppen

Teilprojektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Dipl.-Ing. Michael Fischer
Projektlaufzeit: 01/2016 - 06/2019
Förderung: DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft
Fördernummer: Forschergruppe 1522
Projektpartner: FG Mikromechanische Systeme, FG Elektronische Schaltungen und Systeme, FG Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik, Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH, Lehrstuhl für Technische Elektronik (FAU Erlangen)

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BiSWind - Bauteilintegrierte Sensorik für Kraftübertragungselemente in Windenergieanlagen

Projektziel ist die Erforschung einer energieautarken Sensorplattform, welche integriert auf einer rotierenden Welle sensorische Aufgaben, hier die Messung von Drehmoment, Temperatur und Vibrationen, erfüllen kann und Messwerte an ein Empfängermodul zur weiteren Datenverarbeitung drahtlos übermittelt. Die Plattform zeichnet sich durch eine Integration von Mikro-Sensorik und mikroelektronischen Komponenten sowie eines Sende- und Empfangsmoduls aus, so dass eine miniaturisierte und autarke Lösung erreicht wird, wie dies durch die Applikation (Windenergie). Hierfür werden speziell optimierte komplexe LTCC-basierte, der Wellenform angepasste Elektronikmodule umgesetzt. Erstmals soll durch eine Krümmung von sonst ebenen Schaltungsträgern eine miniaturisierte Lösung erreicht werden, so dass die Integration in Orten mit minimalsten Platzverhältnissen möglich wird und durch die so erreichbare funktionelle Erweiterung neue Märkte durch die Konsortialpartner erschlossen werden können. Um dies zu erreichen, werden sensorische Komponenten sowohl direkt integriert auf der Welle als auch auf dem zu erforschenden gekrümmten LTCC-Schaltungsträger umgesetzt und mit der Auswerteschaltung verbunden. 

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiter:  Dr.-Ing. Heike Bartsch, Dipl.-Ing. Manja Kloska
Projektlaufzeit: 12/2015 - 07/2019

Förderung: BMWi - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektpartner: FG Mikromechanische Systeme, Schaeffler Technologie AG & Co. KG, SCHAEFFLER Engineering GmbH, Universität Bremen BIMAQ, Fraunhofer-Institut IKTS, Fraunhofer-Institut FEP, TU Dresden IFE, Micro Systems Engineering GmbH, Siegert Thinfilm Technology GmbH

Prinzipbild des integrierten Sensorsystems

µNOX - Tragbares Messgerät für die mobile Messung von Stickoxiden

Das Projekt basiert auf den Erkenntnissen des Projekts NSENS und führt dessen Arbeiten weiter. Dafür sollen in der LTCC-Technologie zwei Komponenten realisiert werden, eine Konverterkammer zur Generierung von Stickstoffmonoxid (NO) sowie eine Reaktionskammer zur Detektion der NO-Konzentration. Für die Kammern werden Kavitäten im LTCC-Substrat realisiert, welche hermetisch versiegelt sind. Im Konverter wird durch eine externe UV-Lichtquelle NO im Messgas erzeugt. Dieses NO reagiert in der Reaktionskammer mit Ozon (O3) und emittiert hierbei infrarotes Licht. Das Licht wird mit einem Detektor gemessen und darüber die Menge des Stickoxides im Messgas bestimmt.

Beide Komponenten sollen dabei in einem Substrat hergestellt werden, ohne dass sie sich gegenseitig in ihrer Wirkungsweise beeinflussen. Weiterhin wird eine Miniaturisierung des LTCC-Substrats im Vergleich zum Projekt NSENS angestrebt, da in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern ein mobiles tragbares Messsystem hergestellt werden soll.

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiter:  M. Sc. Björn Müller, M. Eng. Stefan Hanitsch
Projektlaufzeit: 05/2017 - 09/2019
Förderung: Thüringer Aufbaubank
Partner: FG Technische Optik, Analytic Jena AG, 5microns GmbH

INFERSAT

Im Projekt INFERSAT (INtegration von FERrit­materialien für Komponenten in der SATel­liten­kommunikation) sollen Kompo­nenten (insbesondere Zirkulatoren) für Hoch­frequenz­anwendungen entwickelt werden. Ziel ist es, flexible Kommunikationssatelliten hinsichtlich der Effizienz (Verhältnis Nutzlast zu Funktion, Kosten) und Betriebsparameter (Bandbreite, Rekonfigurierbarkeit, etc.) auf langfristige Sicht zu verbessern. Für die Prozessierung der HF-Komponenten (Ferritintegration in die LTCC-Technologie) ist das Fachgebiet Elektroniktechnologie der TU Ilmenau zuständig. Dabei wird das bestehende Technologie-Know-How angewandt und die Forschungs­ergebnisse bezüglich Ferrit­werkstoffen aus dem Projekt iKERSATEC erweitert.

Mit der LTCC-Technologie ist es möglich hochintegrierte Mehrlagenmodule zu entwickelt. Die Ferrite können somit sehr kompakt in die Technologie eingebracht werden. Durch den Multilayer-Prozess fallen hybride Integrationsschritte und Verbindungstechniken wie Kleben, Bonden oder Löten weg. Damit werden hohe Integrationskosten sowie etwaige Luftspalten an Verbindungsstellen vermieden.

Verschiedene Ferritmaterialien (Hart- und Weichferrite) sollen erforscht und in der LTCC-Technologie eingebettet werden. Frequenzen im Bereich 27,5 bis 31 GHz für Weichferrite und 37,5 bis 42,5 GHz für Hartferrite werden angestrebt.

Folgende Punkte sollen bei der Umsetzung beachtet werden:

  • Volumen-/Gewicht- und Kostenreduktion
  • Erhöhung der Arbeitsfrequenz und damit der verfügbaren Bandbreite für Kommunikations­anwendungen
  • Optimierung des thermalen Managements durch das Einbetten der Komponenten im keramischen Schaltungsträger
  • Verbesserung der Zuverlässigkeit (mechanisch, EMV)
  • Modularisierung für optimale Wiederverwendbarkeit
  • Strahlungsresistenz und Vakuumtauglichkeit

Am Ende des Projektes soll die entwickelte Technologie in einen serienreifen Prozess überführt werden.

Durch das Konsortium aus KMUs und Forschungseinrichtungen wird das strategische Ziel verfolgt, die Kompetenzen im Bereich Subsystem- und Komponentenentwicklung sowie –technologie am Wirtschaftsstandort Deutschland zu stärken. Mit INFERSAT wird der Grundstein für eine wirtschaftliche Verwertung dieser Komponenten für Anwendungen im Raumfahrtbereich gelegt.

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Johannes Schur
Projektlaufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2019
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Partner: Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Technische Universität Hamburg-Harburg, AFT microwave GmbH, VIA electronic GmbH, Fraunhofer IKTS Hermsdorf (im Unterauftrag)

SPIRIT

Das Projekt SPIRIT (System – in – Package Interposer basierend auf innovativer Glas – Keramik – Verbund – Technologie) befasst sich mit dem neuartigen Materialsystem Glas-Glaskeramik als Interposer-Substrat. Dabei werden die vorteilhaften Eigenschaften jeder Material- bzw. Technologieklasse gezielt miteinander kombiniert. Die LTCC-Technologie bietet die Möglichkeit des mehrlagigen Aufbaus von Modulen mithilfe der Dickschichttechnologie. Somit können passive 3D-Bauelemente integriert und zum Beispiel eine hohe Verdrahtungsdichte oder eine gute Wärmeleitfähigkeit mit thermischen Durchkontaktierungen (Vias) realisiert werden.  Das Glas-Substrat hingegen eignet sich für die Dünnschichttechnologie und ermöglicht unter anderem die Mikro-Strukturierung der Metallschichten. Die Integration der beiden Substrate und der Technologien zu einem Glas-LTCC-Interposer ist ein neues Technologie-Konzept, welches ein neues Spektrum an Möglichkeiten für die Aufbau- und Verbindungstechnologie eröffnet.
Die mögliche Anwendungsplattform des neuen Interposers umfasst Hochfrequenztechnik, Sensorik, optische Systeme sowie Aufbau- und Verbindungstechnologie für spezielle biologische Anwendungen. In diesem Projekt soll das Fügen von Glaswafern oder –Substraten mit ungesinterten LTCC-Folien in erster Linie erforscht werden. Des Weiteren sollen thermische, thermomechanische, elektrische, dielektrische und Hochfrequenz-Eigenschaften des Verbundsubstrates untersucht und die Anwendung in der Packaging-Technologie erprobt werden.

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiterin:  Dipl.-NanoSc. Mahsa Kaltwasser
Projektlaufzeit: 04/2018 – 03/2021
Förderung: Thüringer Aufbaubank
Partner: VIA electronic GmbH, Siegert Thinfilm Technology GmbH

 

Forschergruppe FOQUOS

Das Projekt unter dem Akronym FOQUOS (Thüringer Forschergruppe zu quantenoptischer Bildgebung mit verschränkten Photonen) ist eine von der Thüringer Aufbaubank (TAB) geförderte Forschergruppe der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der TU Ilmenau.

Ziel der Untersuchungen der Forschergruppe ist es, Systeme in der bildgebenden Quantenoptik zu realisieren, die unter der Ausnutzung verschränkter Photonenpaare in zwei spezifischen Wellenlängenbereichen arbeiten. Diese sind der mittlere Infrarotbereich (MIR) zwischen 2 µm und 10 µm Wellenlänge sowie der kurzwellige Spektralbereich von einigen 10 nm im Ultraviolett- oder Röntgenbereich (XUV). Im Rahmen des Projektes sollen für beide Wellenlängenbereiche Photonenpaare erzeugt werden, bei denen jeweils ein Photon im sichtbaren Spektralbereich ist und das andere Photon im entsprechenden Anwendungsbereich (MIR oder XUV). Mittels verschränkter Photonenpaare lässt sich das sogenannte Ghost-Imaging durchführen. Dabei interagiert ein Photon mit dem zu vermessenden Objekt, das andere Photon wird parallel dazu räumlich auflösend detektiert.

Ein Schwerpunkt des Projektes ist hierbei die Ansteuer- und Auswerteelektronik. Es gilt, die bisher nötigen langen Messzeiten zwischen Kamera und Detektor zu verringern. Die Detektion beider Photonen soll dabei möglichst in Echtzeit erfolgen. An der TU Ilmenau werden hierfür Schaltungsträger auf keramischer Basis (LTCC) realisiert, die diesen Anforderungen entsprechen sollen. Der Vorteil liegt hier in der Realisierung sehr kurzer Verbindungswege der Einzelkomponenten, die eine schnelle Signalverarbeitung ermöglichen. Die Kombination mit dünnschichtfähigen Gläsern wird untersucht, um den Integrationsgrad zu erhöhen und die Implementation optischer Komponenten zu verifizieren.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Björn Müller
Projektlaufzeit: 03/2018 - 02/2021
Förderung: Thüringer Aufbaubank