Optische, chemische und Ultraschallsensoren Konzeption und Prototypentwicklung bis hin zu einer Pilotfertigung

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Sensoren kommen in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Damit die Sensoren auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind, bieten die Fraunhofer-Forscher neben der Konzeption und Prototypenentwicklung auch die Pilotfertigung in eigenen Reinräumen an.

Aufgrund des hohen Bedarfs an Sensoren in verschiedensten Anwendungsfeldern gibt es sehr unterschiedliche Anforderungen an Funktionalität und Leistungsprofil. Kernziel der Forschungsarbeit des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS ist es daher, kunden- und applikationsspezifische Systeme zu entwickeln. Sie zeichnen sich durch höhere Präzision, kleinere Abmessungen, bessere Energieeffizienz sowie zusätzliche Funktionen im Vergleich zu Standardsensoren aus. Das Leistungsangebot reicht von der Konzeption über die Prototypentwicklung bis hin zur Pilotfertigung in eigenen Labor- und Reinräumen – vom Bauelement bis zur kompletten Systemlösung. Die Verbindung mit künstlicher Intelligenz (KI)-Software ermöglicht zudem die Entwicklung intelligenter Gesamtsysteme.

Im Überblick: optische, chemische sowie Ultraschallsensorik

Optische Sensoren: Messebesucher erhalten am Stand des Fraunhofer IPMS Informationen über kompakte und ultrakompakte Nahinfrarot (NIR)-Spektralanalysesysteme. Zudem stellt das Institut erstmals einen Demonstrator vor, welcher mit Hilfe von Spektralanalyse die Zusammensetzung von Textilien erkennt. Der Einsatzbereich eröffnet zahlreiche Möglichkeiten entlang der gesamten Wertschöpfungskette – vom Kauf über die Pflege bis hin zum Textilrecycling.

Chemische Sensoren: Bei den chemischen Sensoren stellen die Forscher des Fraunhofer IPMS einen elektrochemischen Analytikchip vor, welcher mit seinen Mikroelektroden aus Gold, Silber oder Platin zahlreiche elektrochemische Analyseverfahren mit kleinsten Analytmengen ermöglicht. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Materialentwicklung von organischen Halbleitern oder die offline Reaktionskontrolle sowie die elektrochemische Analytik von Körperflüssigkeiten.

Zur Detektion von Ionen, Ionenleitfähigkeit und Temperatur in wässrigen Lösungen entwickelt das Institut ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET)-basierte Sensoren und eine anschlussfähige Integrationstechnologie. Damit lässt sich der pH-Wert messen ohne konventionelle Bezugselektrode möglich, die auf einem Chip mit Leitfähigkeits- und Temperatursensor realisiert werden kann. Der Chip ist trocken lagerbar und kann in eine CMOS-Umgebung integriert werden. Die Modifikation der Sensorschichten ermöglicht außerdem die Einstellung der Sensitivität für bestimmte Ionen oder Moleküle.

Das Fraunhofer IPMS arbeitet zudem an der Weiterentwicklung eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS), das zukünftig für den portablen und schnellen Nachweis von relevanten Gasen Verwendung finden soll. Die Technologie ermöglicht den Nachweis von ionisierbaren Analyten im ppm- und ppb-Konzentrationsbereich direkt in der Umgebungs- oder Atemluft und soll insbesondere in der Umwelt-, Lebensmittel- sowie biomedizinische Analytik ihre Anwendung finden.

Dank mobiler Geräte sind damit Messungen direkt vor Ort möglich, um etwa gesundheitsschädliche Emissionen an kritischen Stellen zu erkennen oder um medizinisches Personal bei der Diagnostik oder Behandlung zu unterstützen. Zudem können durch den Zugriff auf Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS-)Technologien kostengünstig IMS-Chips in großen Stückzahlen realisiert werden.

Ultraschallsensorik: Bei der Ultraschallsensorik entwickelt das Fraunhofer IPMS sogenannte CMUTs, Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers, die Schwingungsfrequenzen bis in den unteren MHz-Bereich erzeugen können. Anwendungsgebiete finden sich in der vorausschauenden Maschinenwartung (predictive maintenance) in Verbindung mit Edge-KI, in der Gestenerkennung und -steuerung von Anlagen sowie in der Abstandsdetektion als Alternative zu optischen Sensoren oder Radarsystemen.

Auch in der Medizin finden CMUTs Anwendung. Das Fraunhofer IPMS präsentiert den Demonstrator eines Spirometers. Das System zur Analyse der Lungenfunktion ist Teil einer KI-gesteuerten, dezentralen Patientenüberwachung.

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