Schwingquarzsensoren zur hochauflösenden Detektion infraroter Strahlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerald Gerlach
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442355721

Eine Methode zur Temperaturmessung und damit zur Detektion von thermischer Strahlung basiert auf dem physikalischen Prinzip der Temperaurabhängigkeit der Resonanzfrequenz von piezoelektrischen Schwingern, insbesondere von Schwingquarzen. Vorteil dieser Sensoren ist, dass die quasidigitale Ausgangsgröße Frequenz im Vergleich zu standardmäßigen thermischen Sensoren deutlich weniger störempfindlich ist. Ein momentanes Problem ist, dass die Empfindlichkeit durch geometrisch-konstruktive Sensorparameter wie Quarzdicke, thermischer Leitwert vom Sensorelement zur Umgebung und Absorptionsgrad des Sensorelements begrenzt wird. Deswegen ist ein wesentliches Ziel die Erzeugung 3D-strukturierter ultradünner (Quarzdicke < 5 µm) Schwingquarze. Dadurch haben die Quarze eine deutlich geringe Wärmekapazität und thermischen Leitwert, wodurch das thermische Auflösungsvermögen und vor allem die Empfindlichkeit gesteigert wird. Zur Reduktion des thermischen Leitwerts soll das Sensorelement freitragend gestaltet werden und durch einen Ätzgraben thermisch isoliert werden. Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit des Sensorsystems wird mittels Grubenstrukturen erreicht, die in den Kristall eingebracht werden. Dadurch erhöht sich wegen der geringeren Masse die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes. Die genannten Forderungen werden mittels Ionenstrahlätzen umgesetzt. Zuletzt soll durch eine ultradünne nanostrukturierte Schwarzschicht der Absorptionsgrad des Sensorelements erhöht werden. Dieses Ziel wird durch die Schrägwinkelaufdampfung der Schwarzschichten erreicht. Entwurfsrichtlinien sollen an analytischen Berechnungen und numerischen Simulationen abgeleitet werden. Zur Bewertung des neuartigen Lösungsansatzes sollen Demonstratoren aufgebaut und hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und ihres Rauschverhaltens charakterisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen