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Universell einsetzbare Infrarot-Thermometer

03. Mai 2013

In vielen industriellen und medizinischen Anwendungen werden Niedertemperaturen (< 300°C) berührungslos mit Infrarot-Thermometern gemessen. Die hier traditionell eingesetzten Infrarot-Thermometer weisen konstruktions- und  technologisch bedingte technische Einschränkungen auf, die bei Messungen auf ungeeigneten Materialoberflächen und Objektgrößen zu großen Fehlern führt.

Um dem künftig bestmöglich entgegenzuwirken, war 2010 das Verbundprojekt HINT – Hochauflösende Infrarot-Niedertemperatur-Thermometrie – gestartet worden. Ziel war es, aktuelle Halbleitertechnologie zur Entwicklung eines universell einsetzbaren Infrarot-Detektors zu nutzen und ein mit modernsten Komponenten bestücktes, bezüglich Messgenauigkeit der etablierten Technik stark überlegenes Messgerät zu entwickeln.

Das Verbundprojekt HINT wurde im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundes­regierung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über eine Laufzeit von 2 Jahren aus dem Förderprogramm „KMU-innovativ IKT“ mit einer Summe von rund 700.000 Euro gefördert. Weitere 310.000 Euro steuern die Verbundpartner bei. Im Projekt arbeiteten die Unternehmen Optris GmbH (Berlin), Micro-Sensor GmbH (Hermsdorf) sowie das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI, Berlin zusammen.

Die Schlüsselkomponente des Forschungsvorhabens war ein innovativer Wärmedetektor in Form einer vertikal integrierten Doppelfotodiode auf InP-Basis mit deren Hilfe die Strahlung gleichzeitig in zwei Wellenlängenbereichen erfasst werden kann. In der IR-Messtechnik können so bei Einsatz von Mehrkanalpyrometrie  Ungenauigkeiten vermieden werden. Diese monolithische Doppeldiode, die nach unserer Kenntnis  in dieser Form weltweit erstmals hergestellt wurde, wurde vom HHI  entworfen, hergestellt und charakterisiert, von der Micro-Sensor GmbH  aufgebaut und durch die Optris GmbH untersucht. Die Ergebnisse sind im Hinblick auf eine Produktentwicklung äußerst viel versprechend.

Darüber hinaus  wurden im Projekt HINT am HHI die „einfachen“ Infrarot-Detektorchips auf der Basis  von  Indium-Gallium-Arsenid  mit einer Bandkante bis 2,6 µm (E-IGA: Extended Indium-Gallium-Arsenid) hergestellt. Durch Epitaxie-und Strukturoptimierungen konnte hierbei  die Schichtdicke der Fotodiode gegenüber anderen bekannten Designs deutlich reduziert und damit bei vergleichbaren Fotodiodeneigenschaften kostengünstiger hergestellt werden .

Die Arbeiten des HHI umfassten das Design der Bauelementarchitektur, die Realisierung der IR-Detektor-Chips und deren Charakterisierung. Die bisher am HHI nicht gebräuchlichen Extended- InGaAs -Schichten erforderten die Entwicklung von geeigneten Epitaxie- und Herstellungsprozessen.

FuE-Arbeiten von Optris und Micro-Sensor

Um die erwünschte Verbesserung der Messgenauigkeit zu erzielen und den Messbereich zu erweitern, wurden die Fotodioden mit einem Kühlelement versehen und untersucht. Mittels modernster Aufbau- und Verbindungs­technik (AVT) wurde der Detektorchip von Micro-Sensor zusammen mit der thermoelektrischen Kühlung in einem kleinen Gehäuse integriert, um einen System- und Kostenvorteil gegenüber konkurrierenden Lösungen zu erzielen. Es erfolgte weiterhin die Erarbeitung von Lösungen, das minimierte System in einem langzeitstabilen Vakuum unterzubringen unter Einhaltung minimaler Montagetemperaturen.

Aus dem Bereich der Industrie sind Anwendungen zu nennen, in denen wegen der Dynamik von Emissionsgraden (z. B. Lötanlagen) oder der schnellen Bewegung von Messobjekten (z. B. Drahtmesstechnik) bislang keine zufriedenstellenden Lösungen existierten. Da das HINT- Thermometersystem außer im Hochtemperatur- auch im Niedertemperaturbereich optimal einsetzbar sein wird, wird es als „universelles“ Messgerät mit erhöhter Auflösung und Zuverlässigkeit einen neuen Gerätestandard setzen. Im Ergebnis des vom BMBF geförderten HINT-Projekts werden dann neuartige Anwendungsfelder zur berührungslosen Temperaturmessung wie z.B. die medizinische Endoskopie erschlossen werden.

 

Als Projektpartner waren beteiligt:

Optris GmbH
Das Technologieunternehmen Optris GmbH ist spezialisiert auf die Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Geräten zur berührungslosen Temperaturmessung über Infrarot. Die Produktpalette umfasst portable Infrarot-Thermometer, stationäre Infrarot-Industriethermometer sowie Infrarot-Wärmebildkameras und Kalibrierquellen. Die Messgeräte setzen einen neuen Maßstab beim Einsatz in OEM Lösungen und beim Vielfacheinsatz von Infrarotmessstellen.

Micro-Sensor GmbH
Die Micro-Sensor GmbH (früher Mikrotechnik+Sensorik GmbH) mit Sitz in Hermsdorf ist ein technologieorientiertes Unternehmen, das auf ausgewählten Gebieten der Sensorik von der Entwicklung über die Serienfertigung bis zur Vermarktung tätig ist. Das Unternehmen verfügt über eine hohe Kompetenz in der AVT und in Verbindung mit dem Partnerunternehmen Micro-Hybrid Electronic GmbH über den Zugriff zu flexiblen Fertigungskapazitäten. Die Stärken des Unternehmens liegen in der kompetenten, schnellen und zuverlässigen Umsetzung von Kundenanforderungen in kleinen und mittleren Stückzahlen - insbesondere bei optischen und mikrosystemtechnischen Komponenten sowie Beschleunigungssensoren.

Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut
Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut ist weltweit führend in der Entwicklung von mobilen und festen Breitband-Kommunikations-netzen und Multimedia-Systemen. Ob photonische Komponenten und Systeme, faseroptische Sensorsysteme oder High-Speed Hardware Architekturen – im HHI wird mit internationalen Partnern aus Forschung und Industrie an Infrastrukturen für die zukünftige Gigabit Society gearbeitet. Das HHI ist kompetenter Partner für Themen wie 3D-TV, 3D-Display, HDTV, Mensch-Maschine-Interaktion durch Gestensteuerung, Bildsignalverarbeitung und -übertragung oder Interaktive Mediennutzung.

Verbundkoordinator
Dr. Holger Sandring
Telefon: +49 30 5001970
E-Mail: Holger.Sandring@optris.de

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