Projekte | Technische Universität Ilmenau

i-FPS Kompakte, performante und hoch-integrierte Faint Pulse Source bei 850 nm; Teilvorhaben: E/O-Hardware-Plattform für Faint Pulse Source

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Realisierung einer kompakten Photonenquelle mit abgeschwächten Pulsen, eine sogenannte Faint Pulse Source, für die Erzeugung von Quantenschlüsseln mit hoher Schlüsselrate in der satellitenbasierten Kommunikation. Die Gesamtziele des Teilvorhabens ordnen sich diesem übergeordneten Ziel unter und fokussieren auf die Elektronikentwicklung und HF –tauglichen Modulintegration einer Faint Pulse Source, die den Anforderungen an den Einsatz in der Satellitenkommunikation gerecht wird. Zentrale Fragestellungen sind mechanische bzw. thermomechanische Robustheit sowie Miniaturisierung und Gewichtsminimierung. Zur Lösung der komplexen Aufgabenstellung für die Hardwareplattform soll auf eine im Rahmen von DLR – geförderten Projekten entwickelten und verifizierten Mehrlagenkeramiktechnologie aufgesetzt werden.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Dr.-Ing. Shraddha Supreeti
Projektlaufzeit: 01.08.2021 - 31.07.2023
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
weitere beteiligte Fachgebiete: Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

3DWeMo

Das Projekt 3DWeMo (2D und 3D Werkstoff-Morphologien für das reaktive Mikrofügen in der Elektronik) untersucht den Einfluss der Substrat-Morphologie auf eine reaktive Mehrlagenschicht. Selbst fortschreitende Reaktionen metallischer Mehrlagen, besonders solche basierend auf Ni/Al, wurden in den letzten Jahrzehnten umfangreich untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf Nanofolien und gesputterten Schichtsystemen. Die Ausnutzung dieser Reaktionen zum Fügen von elektronischen Chips oder mikromechanischen Bauteilen (MEMS) bietet den Vorteil einer örtlich begrenzten Wärmebelastung. Die durch lokale Zündung ausgelöste Kettenreaktion ist schwer zu kontrollieren und die Reaktionsprodukte weisen oft hohe Spannungen auf. Es ist bekannt, dass nanoskalige Krümmungsradien die Oberflächen- und Grenzflächenenergie beeinflussen. Dies soll ausgenutzt werden, um die freie Enthalpie einer Mehrschichtfolge gezielt zu beeinflussen und somit Beschleunigung und Geschwindigkeit der Reaktionsausbreitung zu beeinflussen. Ein zusätzlicher Faktor ist die geänderte Mehrlagenmorphologie durch die Nanostruktur, welche das Fortschreiten der Reaktion ebenfalls beeinflusst. Im Projekt werden verschiedene Mehrlagen-Architekturen untersucht, wobei sowohl die Oberflächengestalt als auch der Schichtaufbau berücksichtigt wird. Deren Einfluss auf die Phasenumwandlung wird untersucht.

Somit wird die Grundlage für die Entwicklung vorgefertigter Strukturen für eine zukünftige Chipmontage gelegt. Das erworbene Wissen trägt zu maßgeschneiderter Aufbau- und Verbindungstechnik bei, die in Zukunft definierte Zündpfade für den dosierten Energieeintrag in Lotverbindungen für die Chipmontage ausnutzt.

Projektleiter: Dr.-Ing. Heike Bartsch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Konrad Jaekel

Projektlaufzeit: 15.11.2019 – 30.09.2023

Förderung: DFG

Partner: Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik

Quanten-HUB Thüringen

Ziele des Vorhabens:
Die beantragte Koordinierungsstelle innerhalb des Quanten-HUB Thüringen (QHUBTh) vollzieht eine wesentliche Ergänzung des bestehenden Thüringer Innovationszentrums InQuoSens, indem sie die wesentlich größere thematische Breite neuartiger und disruptiver Themenfelder der Quantentechnologien erstmalig in einem umfassenden Ansatz im Freistaat Thüringen abbildet. Entsprechend lauten die Ziele des Vorhabens:

Inhaltlicher Ausbau des Thüringer Innovationszentrums für Quantenoptik und Sensorik im Schwerpunkt Quantentechnologien
Erhöhung der Außensichtbarkeit von Quantentechnologie aus Thüringen im Rahmen des Quanten- HUBs Thüringen
Stärkere Vernetzung der Partner und Einbeziehung eines neuen Partners (MEOS)
Stärkung der Thüringer Forschungslandschaft in den RIS-Arbeitsfeldern industrielle Produktion und Systeme, gesundes Leben und Gesundheitswirtschaft und Informations- und Kommunikationstechnologie
Nachwuchskräftesicherung

Konzept und Erwartung ( Hypothesen):
Forschung mit hohem technologischem Anspruch erfordert neben exzellenten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine exzellente technologische und apparative Ausstattung. Der Ausbau des Innovationszentrums ( InQuoSens) bekommt damit eine Schlüsselrolle für das Erreichen der gesteckten Ziele im Rahmen der Forschungsarbeiten in des Quanten-HUBs Thüringen. Die bislang im Rahmen von TAB – Forschergruppen erreichten Ergebnisse bilden für QHUBTh eine hervorragende wissenschaftliche Ausgangsbasis. Die standortübergreifende Forschungsförderung der interdisziplinären Zusammenarbeit ist ein wesentliches Element zur nachhaltigen Vernetzung der Akteure in Jena und Ilmenau. Das Einbinden des Frauenhofer Projektzentrums MEOs in Erfurt und weiterer Thüringer Akteure stärkt diese Bindung und erweitert komplementär die Expertisen.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter: M. Sc. Nesrine Jaziri
Projektlaufzeit: 05/2021 - 12/2023
Förderung: Thüringer Aufbaubank

Silicium-Keramik-Hybridsubstrat als Integrationsplattform für photoakustische und optische Anwendungen (PaSiC)

Das Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung der Silicium-Keramik-Sinterverbund-Technologie zu einer industriell breit anwendbaren Technologieplattform zur Realisierung von robusten und miniaturisierten IR-Komponenten (IR-Strahlungsquellen und Detektoren) sowie neuartiger kosteneffizienter Sensoren auf Basis photoakustischer und optischer Prinzipien. Dazu soll der aus vorgelagerten Projekten erzielte Technology Readiness Level (TRL) der Verbundtechnologie von 4 schrittweise auf 5-6 angehoben werden.

Das Forschungsvorhaben adressiert die Kombination des anorganischen Nichtmetalls LTCC-Keramik, mit dem Halbmetall Silicium für einen gasdichten Verbund ohne bleibende organische Hilfsstoffe. Die gemeinsame Sinterung von Silicium und Glaskeramik ist ein zentrales Alleinstellungsmerkmal. Beide Materialien können im Labormaßstab weitgehend druck- und stressfrei durch Sintern miteinander verbunden werden. Dazu ist keine Politur der beiden Materialpartner notwendig, sondern der vorprozessierte Grüntape-Stapel der Keramik wird auf einen vorprozessierten Siliciumwafer auflaminiert und danach gesintert. Das resultierende SiCer-Hybridsubstrat kann – mit angepassten Dünnfilm-Prozessen – weiterverarbeitet werden. Das Silicium steht damit für MEMS-Prozesse zur Verfügung, während die LTCC-Keramik als Träger weiterer Funktionen (z. B. Fluidik), als Umverdrahtungsebene und Gehäuse genutzt werden kann. Damit bietet das Hybridsubstrat einerseits ideale Voraussetzungen zur Realisierung optischer Sensorelemente direkt im Siliciumwafer, andererseits gestattet die Nutzung der LTCC-Keramik als Verdrahtungs¬ebene aber auch die klassische Hybridintegration weiterer Sensor- und Elektronikkomponenten.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Jens Müller, Dipl.-Ing. Nam Gutzeit

Projektlaufzeit: 0/2020 - 12/2022 (verlängert bis 06/2023)

Förderer: BMBF

Projektpartner: Infineon Technologie AG Neubiberg, Micro-Hybrid Electronic GmbH Hermsdorf, CMOS-IR Erfurt, Fraunhofer IKTS Hermsdorf, Fraunhofer IPM Freiburg im Breisgau

Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik (MemWerk)

LTCC-Wafer mit vertikalen Kontakten (Vias) und einer lithographie-tauglichen Oberfläche

Das Ziel des MemWerk (Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik) Projekts ist die Entwicklung neuer funktioneller memristiver Materialien für energieeffiziente neuromorphe Elektronik, d.h. elektronische Systeme, deren Prinzip auf Paradigmen der biologischen Informationsverarbeitung basiert.

Memristive Materialien haben einen Memory-Effekt und können ihre elektronischen Eigenschaften (elektrischer Widerstand) durch externe Signale (z. B. elektrischer Strom oder Spannung, Gase, Licht, Temperatur usw.) ändern. Folglich ermöglichen diese Materialien die Erstellung von Geräten, deren Funktionen in vielerlei Hinsicht denen von Synapsen in neuronalen Netzen ähnlich sind. Sie bilden somit den zentralen Kunststoffbaustein in künstlichen neuronalen Netzen (ANNs).

Der Entwicklungsschwerpunkt des Teilprojektes liegt auf der Systemintegration. Es werden Verbindungs- und Kontaktkonzepte entwickelt und getestet, die ein größeres Feld oder ein Cluster von memristiven Komponenten elektrisch adressieren, ohne auf Schnittpunktstrukturen zurückzugreifen.

Folgende Konzepte werden bei der Umsetzung dieser Aufgabe berücksichtigt:

a) Aufbau von Flip-Chip-Memristivmatrizen auf einem mehrschichtigen LTCC-Substrat.

b) Direkte Integration von Memristoren auf einem geeigneten vorkonfektionierten Substrat mit bereits implementierter Verdrahtung. Dieser Ansatz nutzt Niedertemperatur-Einbrand-Keramiksubstrate (LTCC) mit angepassten Ausdehnungskoeffizienten. Die Technologie ermöglichte die Verdrahtung von bis zu 100 Schichten. Die Glättung der gesinterten LTCC-Oberfläche ist hierbei ein Entwicklungsschwerpunkt, zur Glättung kommen u.a. Polierprozesse auf verschiedenen Oberflächen zum Einsatz.

Teilprojektleiter: Jens Müller

Fördermittelgeber: Carl-Zeiss-Stiftung

Laufzeit: 04/2020 - 03/2025

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Heike Bartsch, Dr. Kateryna Soloviova

Link: https://memwerk.de/

µRase - MEMS-raumerfassende Radarsensorik

Bei der Konzeptionierung und Realisierung von autonomen Systemen spielt die raumerfassende Sensorik eine entscheidende Rolle. Fortschrittliche Sensorik ermöglicht autonomen Systemen andere Objekte zu erkennen, Geschwindigkeiten und Abstände zuordnen und bei Gefahr für sich oder benachbarte Objekte Reaktionsempfehlungen an die Steuereinheit der Systeme zu geben. Durch die Kombination aus THz-Radarsystem, innovativer Aufbau-, Verbindungs- und MEMS-Technologie sowie der Silizium-Keramik-Verbundtechnologie können bisherige Limitierungen überwunden werden.

Das Ziel des Projektes ist die Kombination und Etablierung einzelner Technologiemodule der Projektpartner zu einem übergeordneten Radarmodul mit hoher Kosteneffizienz und hoher bildgebenden Auflösung. Dieses Vorhaben wird durch die Kombination von modularen Subsystemen realisiert: