Fraunhofer IPMS entwickelt hochempfindliche Infrarotsensoren

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) entwickelt in Zusammenarbeit mit Heimann Sensor und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) die technologische Basis für eine neue Generation von thermoelektrischen Infrarotsensor-Arrays. Durch die erstmalige Integration hocheffizienter thermoelektrischer Materialien in eine CMOS-kompatible Fertigungstechnologie zielt das Projekt darauf ab, deutlich leistungsfähigere Sensoren zu schaffen. Das Ziel ist es, eine Temperaturauflösung von weniger als 20 Millikelvin bei Pixelgrößen von weniger als 45 Mikrometern zu erreichen, was einen wichtigen Schritt hin zu neuen Anwendungen in der Medizin, der Industrie, der Mobilität und der Sicherheit darstellt.

Thermoelektrische Infrarotsensoren ermöglichen die berührungslose Temperaturmessung und die Erzeugung von Wärmebildern. Sie werden bereits heute in der Prozessüberwachung, der Gebäudeautomation und der Sicherheitstechnik eingesetzt. Die Leistung aktueller Systeme wird jedoch durch die verwendeten Thermoelement-Materialien begrenzt. Das neue Projekt adressiert diese Herausforderung durch den Einsatz deutlich effizienterer thermoelektrischer Materialien und eines neuartigen MEMS-Bauelementekonzepts.

Neue Anwendungen dank höherer Empfindlichkeit
Das Ziel, die Temperaturauflösung zu verbessern, eröffnet zahlreiche neue Anwendungsbereiche. Im medizinischen Bereich könnten zukünftige Anwendungen entwickelt werden, um die Krebsfrüherkennung oder den Nachweis von äußerlich sichtbaren Entzündungen zu unterstützen. Im Kontext des Wohnens im Alter ermöglichen die Sensoren zudem neue Lösungen, wie die zuverlässige Erkennung von Stürzen oder Notsituationen in der Wohnung.

Darüber hinaus profitieren autonome Fahrzeuge von der höheren Empfindlichkeit der Sensor-Arrays. Für industrielle Anwendungen eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Thermografie und Prozessüberwachung. Zudem öffnet der Einsatz dieser Sensoren in kostengünstigen Lösungen für die berührungslose Temperaturmessung die Tür zu weiteren Anwendungs- und Marktsegmenten.

MEMS-Technologie für die Integration neuartiger Materialien
Das Fraunhofer IPMS übernimmt Schlüsselrollen bei der Entwicklung der MEMS-Technologie im Projekt. Dazu gehören die Integration neuartiger Thermoelementschichten, die Entwicklung und Optimierung der notwendigen Herstellungsprozesse sowie die Fertigung von Demonstrator-Chips. Darüber hinaus werden Strategien entwickelt, um die neuen Materialien zukünftig in die 200-mm-Fertigungslinie des Instituts zu integrieren.

Die Projektpartner werden die entwickelten Technologien zunächst anhand passiver Sensor-Arrays demonstrieren. In einer folgenden Entwicklungsphase werden diese zur Erstellung aktiver Sensor-Arrays mit integrierter CMOS-Ansteuerelektronik genutzt. Ziel ist es, mit den im Projekt entwickelten Demonstratoren einen Technologie-Reifegrad (TRL) von 4 zu erreichen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt beschreibt detailliert technische Spezifikationen, die nicht in der ursprünglichen Pressemitteilung enthalten waren.

Die Implementierung eines Motorschutzschalters (MPSD) wie des 140ME beinhaltet den Ersatz traditioneller dreiteiliger Motorstarter – bestehend aus einem separaten manuellen Trennschalter, Kurzschluss-Abzweigsicherungen und einem elektromechanischen thermischen Überlastrelais – durch eine integrierte Halbleitereinheit. In Übereinstimmung mit internationalen Normen nutzt der 140ME eine Kombination aus mechanischen Kontakten und mikroprozessorgesteuerten Messwandlern, um präzise, einstellbare Schutzparameter bereitzustellen. Die elektronische Überlast-Erfassungsschaltung überwacht kontinuierlich die Stromwellenformen über alle drei Phasen; tritt ein asymmetrischer Abfall auf, der einen Phasenausfall signalisiert, reagiert der elektronische Auslöser innerhalb von Millisekunden, um eine lokale Überhitzung der Statorwicklung zu verhindern, die eine häufige Fehlerquelle bei Drehstrom-Asynchronmotoren darstellt.

Die Integration dieser Geräte in ein digitales Netzwerk basiert auf einem Single-Pair-Ethernet-Backbone, der direkt in die Schieneninfrastruktur des Schaltschranks integriert ist. Traditionelle Komponenten im Schrank erfordern eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verkabelung der digitalen und analogen Ein- und Ausgänge, die zu zentralen Eingangsmodulen geführt werden muss, was einen erheblichen Arbeitsaufwand und potenzielle Verdrahtungsfehler mit sich bringt.

Die In-Cabinet-Lösung für EtherNet/IP ersetzt diesen Aufbau durch ein ODVA-zertifiziertes Flachbandkabel, das sowohl die 24V-DC-Steuerspannung als auch die serielle Highspeed-Ethernet-Kommunikation über einen einzigen Bus verteilt. Das Kommunikationsmodul des 100-E Schützes fungiert als lokales Netzwerkgitway, das interne Datenregister des angeschlossenen 140ME-Geräts ausliest – einschließlich historischer Fehlerprotokolle, prozentualer thermischer Auslastung, Phasenstrom-Unsymmetrien und Kontaktverschleißanzeigen. Diese Daten werden nativ via Common Industrial Protocol (CIP)-Objekte in die Studio-Designsoftware mittels spezieller Add-On-Profile übertragen, was synchrone Automatisierungssteuerungs- und Asset-Management-Schleifen ohne zusätzliche Feld-Transceiver ermöglicht.

Redigiert von Romila DSilva, Redakteurin bei Induportals, mit KI-Unterstützung.