Ziel der Entwicklung
Getrieben von der wachsenden Nachfrage nach leistungsfähigen, kostensensitiven IR‑Quellen in NDIR‑Gasanalytik, Prozessüberwachung und Medizintechnik sollten Strahler mit höherer Strahlungsdichte und Effizienz verfügbar werden, ohne teure Spezialprozesse oder neue Fertigungslinien. Das wirtschaftliche Signal aus dem Markt: High‑Performance‑IR‑Strahler sind in Stückkosten und Skalierbarkeit limitierend; Anwender fordern mehr Leistung bei stabiler Modulierbarkeit und langen Standzeiten.
Im Mittelpunkt des Entwicklungsprojekts stand die gezielte Erhöhung des Emissionsgrads auf der Strahlermembran auf mindestens 80 %. Damit sollte die Ausstrahlungsdichte und der Wirkungsgrad der Strahler auf ein Niveau angehoben werden, das mit High‑Performance‑IR‑Strahlern vergleichbar ist – und das ohne den Einsatz kostenintensiver Spezialprozesse. Die zu entwickelnden Muster sollten weitgehend auf den bereits am CiS Forschungsinstitut etablierten technologischen Prozessketten basieren und lediglich durch eine nachträgliche Funktionsverbesserung optimiert werden. Die zentrale Innovation war, die emissionssteigernde Beschichtung nicht über teure mikrosystemtechnische Verfahren, sondern durch einfache, wirtschaftliche Beschichtungsmethoden zu realisieren. Ziel war es, die Herstellkosten der Chips nicht wesentlich zu erhöhen und die Grenzfrequenz nur geringfügig zu beeinflussen, während Leistung, Fläche, Widerstand, Temperatur, Spektralbereich und Lebensdauer auf bisherigem Niveau bleiben.
Vorteile und Lösungen
Wir erhöhen die Wärmestrahlung, indem wir auf die fertige Strahlermembran eine sehr dünne, „schwarze“ Hochemissionsschicht aufbringen – nachträglich, ohne die Mikrosystemfertigung zu ändern.
Auswahl von Beschichtungen mit hoher IR‑Emissivität (z. B. pigmentierte/oxidische Sol‑Gel‑ oder Nanopartikel‑Tinten); Einstellung von Viskosität und Haftvermittlern.
Einfache, skalierbare Applikation (Sprüh‑, Tauch‑ oder Spin‑Coating); sensible Zonen werden maskiert, damit nur die aktive Membran beschichtet wird.
Schonendes Trocknen/Aushärten bei prozesskompatiblen Temperaturen; Schichtdicke so dünn, dass Masse und Modulierbarkeit weitgehend erhalten bleiben.
Prüfung und Iteration: spektrale Emissivität (2–20 µm), Strahlstärke, Grenzfrequenz, elektrischer Widerstand, Haftung, Thermoschock.
Dauer- und Alterungstests (5.000–>10.000 h) und Kostenbewertung; Überführung des optimalen Verfahrens in eine seriennahe Prozesskette.
Ergebnis: Emissionsgrad >94%, bis zu 40% höhere Strahlstärke im LWIR, robuste Lebensdauer – mit moderatem Kosteneffekt und hoher Skalierbarkeit.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das Projekt StraMiFa zielte auf die Entwicklung von IR-Emittern mit verbesserten Eigenschaften – insbesondere mit hohem Emissionsgrad – also hoher Lichtausbeute bzw. Wirkungsgrad für die Umwandlung von elektrischer Leistung in Infrarotes Licht ab. Dabei sollten die anderen technischen Parameter wie Bauform, Dynamik, elektrischer Widerstand, Bauteillebensdauer etc. möglichst unverändert bleiben. Solche MEMS-IR-Emitter werden in optischen Sensorbaugruppen verwendet, welche auf der IR-Lichtabsorption oder -Reflexion basieren. Hierzu zählen insbesondere „nicht-dispersive IR“ (NDIR)-Sensoren, welche für die Konzentrationsbestimmung von bestimmten Spezies in Gas- oder Flüssigkeitsgemischen genutzt werden. Der Anwendungsmarkt ist dabei sehr vielseitig und erstreckt sich über Medizintechnik (z.B. Atemgas-Sensoren), Prozessmesstechnik, Sicherheitsanwendungen, Bio- und Pharma-Anwendungen, Spektroskopie, Umweltsensorik und Gebäudeautomation.
