17 Feb. Neue Sensorkonzepte mit Lichtwellenleitern in Glas
In Glas integrierte Lichtleiter sollen Sensoren für Industrie und Forschung verbessern. Daran arbeitet ein Konsortium unter Beteiligung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Projekt ‚3DGlassGuard‘. Grundlage dafür ist die Integration dreidimensional strukturierter Glaslagen in Leiterplatten. Den Projektpartnern zufolge ermöglichen diese Glass-Core-Substrate neue Anwendungen in der Sensorik und Datenübertragung.
Im Projekt werden Sensorkonzepte für zwei Anwendungsszenarien entwickelt:
zum einen in Kooperation mit Siemens ein optischer Stromsensor für leistungselektronische Anwendungen, wie Strommessungen. Dieser Sensor ist nicht wie üblich aus optischen Fasern aufgebaut, was eine komplexe Justage erfordert, sondern aus Lichtwellenleitern, die in einer 3-D-Glaslage platzsparend auf die Leiterplatte integriert werden. Vorteile sind die galvanische Isolation, geringe Leitungsverluste und die gleichzeitige Führung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen und Zuständen. So lassen sich viel mehr Informationen als auf rein elektrischem Weg messen und übertragen.
Zum anderen wird zusammen mit Sea & Sun Technology ein interferometrischer Sensor zur Dichtemessung von Meerwasser aufgebaut. Derzeitige Sensoren messen die elektrische Leitfähigkeit, aus der sich dann die Dichte herleiten
lässt. Dieser Prozess stützt sich jedoch auf weltweit unterschiedlichen Referenzwerte. Eine unmittelbarere, rein optische Messung verspricht bessere Auflösung und eine Standardisierung der Messergebnisse, um beispielsweise einheitlichere Klimamodelle zu erstellen.
Taper, der die Wellenleiter aufweitet oder verkleinert, um beispielsweise das Koppeln zu einer Glasfaser zu erleichtern (erzeugt mit Anysy Lumerical). Bild: Fraunhofer IZM
Zurzeit arbeiten die Forschenden an der Umsetzung von Demonstratoren für Funktionalitätstests. Anspruchsvoll ist dabei die Miniaturisierung der neuen Sensorkonzepte, um sie auf einer Leiterplatte unterzubringen. Das Material Glas bietet aufgrund seiner planaren Form aber mehr Möglichkeiten, die Lichtwellenleiter und weitere Funktionen einzubringen. Parallel zur Entwicklung der Sensoren wird zusammen mit der TU Berlin an KI-gestützten Simulationstools gearbeitet. Diese sollen dabei helfen, einzelne optische Komponenten der Sensoren zu verkleinern und deren Effizienz zu verbessern.
Multi-Mode Interference Coupler (MMI) zur Aufteilung von Licht auf Wellenleiter (erzeugt mit Anysy Lumerical). Bild: Fraunhofer IZM
Förderung und Partner
Das Projekt ‚3DGlassGuard‘ wird mit insgesamt 4,6 Millionen Euro gefördert. Davon stammen 69,3 % aus BMBF-Mitteln – aus dem Förderprogramm Quantensysteme mit dem Förderkennzeichen 13N16852. Am Projekt beteiligt sind Siemens als Projektkoordinator, das Fraunhofer IZM sowie Contag, LightFab, Sea & Sun Technology, die Technische Universität Berlin und Schott als assoziierter Partner.
Quelle: www.izm.fraunhofer.de
Bild: Siemens
