MiReG

IGF-Projekt: 19619 N  (2017 - 2020)

DIE HERAUSFORDERUNG

Mikrooptische Aufbauten sind hochspeziell und bis auf wenige Komponenten technologisch kaum auf andere Produkte übertragbar. Die Integration verschiedener Materialien erfordert diversifizierte Verbindungstechnologien, einen größeren Maschinenpark sowie verschieden spezialisierte Mitarbeiter. Zudem kommt es z. B. durch thermische Fehlanpassungen zu Problemen in der Produktzuverlässigkeit. Diese Schwierigkeiten führen dazu, dass design- und kundenspezifisch zu entwickelnde Prototypen und Produkte insbesondere bei geringen und mittleren Anfangsstückzahlen sehr lange und teure Entwicklungszeiten benötigen und im Falle höherer Nachfrage nicht schnell auf Volumenfertigung skalierbar sind.

Interferometrisch messende und ähnliche Systeme für die Messtechnik, z. B. für Abstandsmessungen oder 3D-Tracking, sind aktuell nur in massiv ausgeführten Geräten und Anlagen möglich. Eine Miniaturisierung auf Wafer-basierte Mikrotechniken ist, größtenteils physikalisch-bedingt, nicht möglich. Eine Wafer-Level-Montage wäre zudem für kleine bis mittlere Stückzahlen nicht wirtschaftlich. Standardisiert-automatisierte Aufbautechniken zwischen diesen beiden Extremen sind bisher nicht verfügbar.

DIE INNOVATIONSIDEE

Das Ziel des Vorhabens MiReG war die Entwicklung einer thermisch unempfindlichen, generischen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), die sowohl Prototypen als auch Produkte mit geringen Initialkosten ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Präzision in der Aufbautechnik und Dimensionsstabilität in kompakten photonischen Modulen im Betrieb garantiert.

Für die mikro-optische und elektronische Integration sollte eine AVT aus gelasertem Dünnglas entwickelt werden, sodass auch komplexe optische Sensorsysteme aus dem kostengünstig einsetzbaren Halbzeug Dünnglas assembliert und optisch koppelnd ausgerichtet werden können. Dies sollte exemplarisch anhand eines hochpräzisen, miniaturisierten, mikro-optischen Messgeräts für den Nachweis der Erdachsendrehung (Gyroskop) gezeigt werden.

DIE ERGEBNISSE

In MiReG wurde erfolgreich eine auf Dünnglas basierende, einfach skalier- und adaptierbare Plattform für optische Sensorik entwickelt. Auf dieser Plattform können verschiedenste mikro-optische Komponenten präzise maschinell bestückt werden. Über auf dem Glas angebrachte Dünnfilm-Metallisierungen sind zusätzlich opto-elektronische und elektronische Komponenten integrierbar.

Im Besonderen konnte eine Validierung der opto-elektronischen Messtechnik an optischen Resonatoren, die bei Resonanz mitschwingen, gezeigt werden. Nach anfänglich verwendeten optischen Faserresonatoren wurde im Demonstrator an einen sehr kompakten optischen Flaschenresonator gekoppelt. Dieser Resonator wurde hierzu mit verschiedenen verfeinerten Verfahren sehr formtreu aus einer Quarzglasfaser hergestellt.

Die optischen Resonatoren konnten stabil in der MiReG-Plattform direkt faser-optisch angeregt und ausgelesen werden, sodass auch kleinste Veränderungen in der Umgebung durch Änderung in den Spektren nachweisbar sind (z. B. eine rotatorische Bewegung nach dem Sagnac-Prinzip).

Zudem konnten feine Resonanzbreiten entsprechend optischen Güten Q von 1 Mio. an sehr kleinen Flaschenresonatoren mit 1 mm Durchmesser optisch-annähernd angeregt und abgetastet werden. Bei dieser hohen Auflösung werden bereits hohe Anforderungen an die Plattform-integrierte Elektronik gestellt.

Der gesetzte Formfaktor für die Messplattform von 100 mm x 50 mm wurde eingehalten. Weiteres Miniaturisierungs-Potential war angesichts der vergleichsweise lockeren Belegung der Messplattform vorhanden, auch wenn bei Freistrahlsystemen/Interferometern am Ende auch physikalisch-optische Aspekte eine Abwägung erfordern zwischen Größe und Auflösungsfähigkeit/Reichweite des optischen Systems.

KMU-NUTZEN

Für KMUs ist neben der maschinellen Bestückbarkeit auch der Aspekt der Miniaturisierbarkeit optischer Systeme besonders relevant.

Glas als Substratmaterial für strukturierte Metalldünnfilme ist auch bei sehr hohen Frequenzen sehr verlustarm bei wesentlich kleineren Materialkosten als üblicherweise verwendete Keramiken. Für Firmen der sehr diversifizierten glasverarbeitenden Industrie, die traditionell mittelständisch aufgestellt ist, bieten sich vielfältige neue Geschäftsfelder im Bereich der Zulieferung miniaturisierter Baugruppen oder der Erweiterung der Wertschöpfungstiefe durch eigene Produkte oder Halbzeuge.

Weiterhin besitzt die entwickelte hybride Aufbautechnik von mikro-optischen, opto-elektronischen und elektronischen Komponenten verschiedenster Größen auf Dünnglas ein großes Potential für Kosteneinsparungen, unabhängig der Stückzahlen der zu fertigenden Systeme.

Laufzeit: 01.07.2017 - 31.03.2020