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Mikrostrukturierter Diamant für optische Systeme – skalierbare Basistechnologie und Einsatz in der ATR-Infrarotspektroskopie

Diamant als Materialplattform für eine robuste Infrarot-Sensorik

Die sogenannte ATR-Sensorik (ATR, abgeschwächte Totalreflexion) ist eine lange bekannte infrarotoptische Messtechnik, mit der beispielsweise stark absorbierende Flüssigkeiten auf ihre Zusammensetzung und insbesondere das Vorhandensein von Schadstoffen analysiert werden können. So lassen sich mit diesem spektroskopischen Verfahren z.B. die Inhaltsstoffe von Getränken wie Bier, Fruchtsäften oder Softdrinks bestimmen. Bislang ist der Einsatz jedoch auf den Labormaßstab beschränkt, denn für den industriellen Einsatz ist die Messtechnik derzeit nicht robust genug. Speziell im wichtigen langwelligen Infrarotbereich existiert bis heute keine industrietaugliche Sensorlösung. Abhilfe verspricht man sich vom gezielten Einsatz kosteneffizienter, nanokristalliner Diamantschichten. Deren Materialeigenschaften lassen sich durch die Wahl der Prozessparameter gezielt einstellen und optimieren. Vor allem bleibt Diamant, im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien, selbst bei hohen Temperaturen bzw. Leistungsdichten transparent, gerade auch im langwelligen infraroten Spektralbereich. Gesamtziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung einer Prozesstechnik zur Herstellung und Mikrobearbeitung von Diamant-Dünnschichten auf verschiedenen Trägermaterialien und die Demonstration des Potenzials der Technologie für Anwendungen in der optischen Sensorik. Dabei wird erstmals die Herstellung maßgeschneiderter Diamant-Mikrostrukturen für optische Anwendungen mit kosteneffizienten, waferbasierten, halbleitertechnischen Prozessen untersucht.

Infrarotspektroskopie für die Prozesssteuerung in der Getränkeherstellung

Die Überwachung flüssiger Medien in der Industrie stellt höchste Ansprüche an optische Prozesssensoren; sie sollen hoch sensitiv und zugleich sehr robust sein. Allein Diamant ist in der Lage, optimale optische Eigenschaften mit den Anforderungen zur chemischen Beständigkeit, Abriebfestigkeit und Temperaturbelastung zu kombinieren. Bislang war Diamant jedoch für diesen Einsatzzweck zu teuer. Mit kostengünstig herstellbaren nanokristallinen Diamantschichten sowie deren mikrotechnischer Verarbeitung soll im Vorhaben das Kostenproblem gelöst werden. Das ATR-Sensorelement soll hierzu als ein integriertes mikrooptisches Element konzipiert werden. Es werden im Verbund verschiedene Varianten einer Mikrointegration untersucht, mit dem Ziel eines mikro¬integrierten Sensors für den mittleren und langwelligen Spektralbereich (2,5 – 11 μm Wellenlänge), der eine vergleichbare Leistungsfähigkeit wie heutige Laborgeräte aufweist.

Mit der Verfügbarkeit entsprechender kostengünstiger Sensoren soll nach der Demonstration in der Getränkeherstellung eine ganze Reihe von Anwendungen für die ATR-Spektroskopie erschlossen werden, von chemischer und pharmazeutischer Industrie über die Lebensmittelproduktion bis zur Medizintechnik.

Projektdetails

Koordinator

Dr.-Ing.Peter Gluche
GFD Gesellschaft für Diamantprodukte mbH
Lise-Meitner-Str. 13, 89081Ulm
+49 731 880334-11

Projektvolumen

ca. 2,4 Mio. € (Förderquote 58,5%)

Projektdauer

01.10.2017 - 31.03.2021

Projektpartner

GFD Gesellschaft für Diamantprodukte mbHUlm
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)Freiburg
Micro-Hybrid Electronic GmbHHermsdorf
Centec Gesellschaft für Labor- und Prozeßmeßtechnik mbHMaintal