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Sensorik

ARCH-Infrarotsensoren

Für Infrarotsysteme werden möglichst ungekühlte thermische Infrarotsensorarrays für bildgebende Lösungen auf der Grundlage von CMOS kompatiblen planaren Waferprozessen in großen Stückzahlen benötigt. Die Lösung könnten ARCH-Infrarotsensoren sein. Die wesentliche Innovation im ARCH-Infrarotsensor-Design bildet die physikalische Separation der bimorphen Materialien voneinander. Damit verbunden ist die hervorragende thermische Isolation der beiden Materialien mit ihren unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu herkömmlichen Zweischichtsystemen. Mit diesem Design wurde ein rahmenförmiger bimorpher Detektor mit einer exzellenten thermischen Isolation zwischen dem Absorptions- und Detektionsbereich entwickelt, welcher hoch sensibel ist.

Der "ARCH"-Approach:

  • "ARCH" ist eine ganz neue Entwicklung, die auch auf dem Bi-Metall-Prinzip basiert. Jedoch sind die Materialien sind räumlich getrennt und so gewählt, dass sich im Vergleich zu bekannten Sensoren eine um eine Größenordnung höhere Sensitivität ergibt.
  • Die aktuell erreichte Sensitivität liegt zwischen 250 und 500mK NETD. Das Ziel weiterer Optimierung ist es, auf <75mK NETD zu kommen, was als ausreichend für "low-cost"-Anwendungen angesehen wird.
  • Der ARCH-Chip wurde im Jahr 2013 für den AMA Innovationspreis nominiert und für die Liste der Top-5 Entwicklungen gewählt:
    News auf ama-sensorik.de (29.04.2013 20:09)
    Liste der Nominierten (von ama-sensorik.de, 29.04.2013 20:09)

Die ARCH-Innovation ist ein Infrarot-Detektor, welcher auf einem neuartigen ungekühlten Mikro-Spiegel-Sensor basiert. Dieses thermographische System ermöglicht Objekttemperaturen berührungslos über große Entfernungen zu messen und Wärme in Echtzeit sichtbar zu machen. Der Kern der Innovation ist ein Mikrosensor, welcher aus einer 2D-Matrix von Mikro-Spiegeln besteht und Wärmestrahlung (IR mit 7-14µm Wellenlänge) in eine mikroskopische Spiegelbewegung wandelt. Dabei ist der Sensor dank neuester Mikrotechnologien sehr einfach und günstig herstellbar und verbraucht während seines Einsatzes keine Energie. Die Spiegelbewegungen werden mittels eines einfachen optischen Systems (Laser-Diode, CCD) erfasst und als Live-Wärmebild präsentiert.  Diese Innovation besitzt distinktive Kostenvorteile zu aktuellen IR-Technologien.

Erste Anwendungen werden sein:

  • thermographische Alarmanlagen für den Privatbereich
  • Feuerdetektion
  • und natürlich als Low-Cost IR-Kamera für Automotive
Mikrospiegel-Prinzip
Mikrospiegel-Array

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Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Phänomen der Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen (AOWs, surface acoustic waves- SAWs) auf piezoelektrischen Substraten. Der Einsetz von SAW-Bauelementen in Sensoren resultiert aus der Abhängigkeit der Oberflächenwellengeschwindigkeit von:

  • Temperatur,
  • Druck,
  • mechanischen Spannungen oder
  • chemischen Stoffen.

Ein in der heutigen Zeit an Bedeutung zunehmendes Gebiet ist die passive Telemetrie-Sensorik. Innerhalb der Einsatzmöglichkeiten dieser Systeme ergeben sich für die Sensorik neue Anwendungsbereiche. Sensoren können an unzugänglichen Orten wie z.B. rotierenden Maschinenteilen angebracht und drahtlos fernabgefragt werden. Bild 1 zeigt den Aufbau eines passiven SAW-Telemetrie-Sensor-Systems. Eine Abfrageeinheit spricht über ein Funksignal den SAW-Sensor an und wertet dessen Antwort zur Messwertgewinnung aus.

Bild 1

Insbesondere SAW-Resonatoren - sind für diese passive Telemetrie-Sensorik sehr gut geeignet. Sie besitzen zahlreiche Vorteile wie z.B.:

  • einfache Herstellbarkeit,
  • Robustheit,
  • hohe erreichbare Güter,
  • sehr hohe Lebensdauer und
  • passive Arbeitsweise (ohne separate Energiequelle).

Unsere Arbeitsgruppe arbeitet an Lösungen für Telemetrie-Sensorsysteme auf der Basis von SAW-Resonatoren, die im Bereich der Veterinärmedizin und der Energietechnik (hier speziell bei Temperaturen um 600 °C) einsetzbar sind. Dabei spielen vor allem Sensoren für die Temperatur- und Druckmessung, aber auch für die Detektion von mechanischen Spannungen eine vordergründige Rolle. Der prinzipielle Aufbau eines Ein-Tor-SAW-Resonators ist im Bild 2 dargestellt.

Bild 2

Ein Interdigitalwandler erzeugt durch den reziproken piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen auf einem piezoelektrischen Substrat. Die zu deiden Seiten des Wandlers herauslaufenden Wellen werden von den Reflektorgittern reflektiert und wieder empfangen. Durch die Geometrie des Resonators entstehen bei einer bestimmten Frequenz - der sog. Mittenfrequenz -stehende Wellen. Bild 3 zeigt das typische Frequenzverhalten eines Ein-Tor-SAW Resonators anhand des Frequenzverlaufes seines S11- Parameters bei einer Mittenfrequenz f0 = 433,347 MHz.

Bild 3

Das Messprinzip derartiger Sensoren beruht auf der hochgenauen Detektion der Änderung der Mittenfrequenz eines SAW-Resonators in Abhängigkeit von der zu messenden Größe. Bild 4 zeigt die gemessene Mittenfrequenzänderung am Beispiel eines SAW-Resonators in einem Drucksensor.

Bild 4

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