Stromsensorik Sensorkonzept setzt auf integrierte Lichtwellenleiter aus Glas

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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In Glas integrierte Lichtwellenleiter sollen die Messqualität von Sensoren deutlich verbessern. Ein Konsortium arbeitet unter anderem an einem Sensor für die Dichtemessung von Meerwasser. Auch die Leistungselektronik soll von den neuartigen Sensoren profitieren.

In sensiblen Umgebungen wie Energieparks oder für Anwendungen unter Wasser stoßen herkömmliche Sensoren zunehmend an ihre Grenzen. Gründe dafür sind Stromverluste und aufwendige Herstellungsprozesse. Das Forschungsprojekt „3DGlassGuard“, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), entwickelt eine vielversprechende Alternative: dreidimensional strukturierte Lichtwellenleiter, integriert in Glaslagen, die direkt in Leiterplatten eingebracht werden. Diese sogenannten Glass-Core-Substrate eröffnen neue Möglichkeiten in der Sensorik und Datenübertragung.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sowie Industriepartner wie Siemens und Sea & Sun Technology entwickeln im Projekt zusammen mit den anderen Partnern neuartige Sensortypen, die für Branchen wie Energie, Infrastruktur, Umwelt‐ und Meeresforschung interessant sind. Bisher übliche Sensoren nutzen faserbasierte oder elektrische Leiter. „3DGlassGuard“ will das mit einer durch Ionenaustausch und Selective Laser Etching (SLE) dreidimensional strukturierten und direkt in die Leiterplatte integrierten Glaslage ändern.

Die Vorteile sind:

• Galvanische Isolation: Interferenzen und Stromverluste werden minimiert.

• Miniaturisierung: Die Integration in Leiterplatten spart Platz.

• Hochpräzision: Mehr Informationen können durch die Nutzung verschiedener Lichtwellenlängen und Polarisationen erfasst und übertragen werden.

Optischer Stromsensor für leistungselektronische Anwendungen

Im Projekt werden Sensorkonzepte für zwei Anwendungsszenarien entwickelt. In Kooperation mit Siemens realisieren die Experten einen optischen Stromsensor für leistungselektronische Anwendungen, wie Strommessungen in High-Power-Electronics. Dieser Sensor ist nicht, wie üblich, aus einem Schaltkreis aus optischen Fasern aufgebaut, der einerseits viel Platz auf der Leiterplatte und andererseits eine komplexe Justage benötigt, um korrekt zu funktionieren, sondern aus Lichtwellenleitern, die in einer 3D-Glaslage auf die Leiterplatte integriert werden.

Zudem werden bisher auftretende Wechselwirkungen durch die integrierte Glaslage umgangen, da sie galvanisch isoliert ist und die Lichtwellenleiter im Glas eingeschlossen sind. Diese Lichtwellenleiter zeichnen sich durch geringe Leitungsverluste aus und erlauben gleichzeitig die Führung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen und Zuständen, wie beispielsweise einer definierten Polarisation. Dadurch lassen sich viel mehr Informationen als auf rein elektrischem Weg messen und übertragen.

Ein Dichtesensor für Meerwasser

Ein weiterer Sensor wird zusammen mit Sea & Sun Technology zur Dichtemessung von Meerwasser aufgebaut. Er nutzt das Prinzip des Interferometers, das die Überlagerung von Lichtwellen misst. Aktuell messen Dichtesensoren die elektrische Leitfähigkeit des Meerwassers, aus der sich seine Dichte herleiten lässt. Dieser Prozess stützt sich jedoch auf weltweit unterschiedlichen Referenzwerte. Eine unmittelbarere, rein optische Messung mittels des neuen Sensorkonzepts würde deutlich höhere Auflösung und eine Standardisierung der Messergebnisse ermöglichen. Damit könnten beispielsweise einheitlichere Klimamodelle erstellt werden.

Ein zentrales Ziel des Projekts ist die Miniaturisierung der Sensoren. Das planare Material Glas bietet hier optimale Bedingungen, um Lichtwellenleiter und weitere Funktionalitäten auf engstem Raum zu integrieren. Unterstützt wird dieser Prozess durch KI-gestützte Simulationstools, die gemeinsam mit der TU Berlin entwickelt werden. Diese Tools helfen, einzelne optische Komponenten effizienter und kompakter zu gestalten. (heh)

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