EIMS


Förderkennzeichen: MF140037
Projektlaufzeit: 01.07.2014 bis 31.12.2016

Entwicklung IR-sensitiver Metalloxid-Schichten nach dem Sol-Gel-Prinzip und deren Verwendung in der IR-Sensorik

Infrarot-Sensoren werden in zunehmendem Maße für Anwendungen zur Qualitätsüberwachung im Bereich der Prozesssensorik oder der Umweltanalytik eingesetzt. Ein bedeutendes Anwendungsgebiet ist hier die Ermittlung von Absorptionsspektren im Wellenlängenbereich von 4 bis 7 µm zur Zustandsüberwachung technischer Öle und Gase. Mit der Aufnahme von 4 bis 6 Spektrallinien in diesem Bereich lassen sich zum Beispiel aussagekräftige Zustandsparameter von Schmierstoffen ableiten. Ziel des Entwicklungsvorhabens war die Entwicklung eines für entsprechende Anwendungen geeigneten IR-Sensors nach dem Bolometer-Prinzip, dessen sensitive Schicht einen sehr hohen TK-Beiwert aufweist und nach dem Sol-Gel-Prinzip synthetisiert wird. Im Projekt waren Verfahren zur Schichtherstellung und -aufbringung auf die Trägerstruktur zu entwi-ckeln, darauf basierend anwendungsnahe Muster herzustellen und diese zu erproben.

Für die sensorische Schicht wurden verschiedene Vanadiumoxide anstelle der sonst üblicherweise verwendeten metallischen Materialien eingesetzt. Damit sollte die sensorische Empfindlichkeit gegenüber den Metalldünnschichtbolometern deutlich gesteigert werden. Zur Minimierung des fertigungstechnischen Aufwandes gegenüber bekannten Technologien der Schichtaufbringung und Mikrostrukturierung von Vanadiumoxid wurde zur Synthese des Materials ein Sol-Gel-Verfahren und zur Aufbringung und gleichzeitigen Strukturierung ein Inkjet-Verfahren angewendet. Mittels experimenteller Untersuchungen wurde zunächst die Herstellung von Sol-Gel-Systemschichten mit IR-sensorischen Eigenschaften in  mikrotechnischer Ausführung erprobt. Dabei wurden die Materialauswahl, der Schichtaufbau und die Prozessparameter qualifiziert. Auf Basis der entwickelten Technologie wurden schließlich experimentelle Demonstratoren von Infrarotsensoren hergestellt und erfolgreich getestet.

Projektergebnisse

Mit den durchgeführten Arbeiten wurde ein IR-Sensor nach dem Bolometerprinzip unter Verwendung einer sensorischen Schicht aus Vanadium als Alternative zu ansonsten üblichen metallischen Sensorschichten entwickelt. Darüber hinaus wurde mit einem Sol-Gel-Verfahren und Schichtauftrag mittels Inkjet-Drucks eine neuartige Aufbautechnik erprobt. Die angestrebten materialtechnischen und sensorischen Eigenschaften der Schichten und Schichtverbunde wurden erzielt. Dies konnte mittels verschiedener Verfahren der Analytik und Messtechnik (Lichtmikroskopie, REM, Transmissionsspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Vierspitzenmethode) nachgewiesen werden. An hergestellten Testmustern von IR-Bolometern auf Basis der entwickelten Technologie wurde der grundsätzliche Funktionsnachweis erbracht. Die Charakterisierung der sensorischen Eigenschaften ergab Werte der spezifischen Detektivität von D* = 10cmHz1/2 / W, womit die Werte der Detektivität vergleichbarer Bauelemente deutlich übertroffen werden.