Sensorforschung Gas-Sensoren mit umweltschonendem Antireflex-Effekt

Redakteur: Peter Königsreuther

Mit Punkt-Gas-Sensoren lassen sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre sowie die Konzentration von Gasen bestimmen. Optiken aus Glas sind integriert, deren Herstellung jetzt optimiert wurde.

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Mikrostrukturen können jetzt umweltfreundlich per Umformwerkzeug (Mitte) Glasrohlinge (links) eingearbeitet werden. Rechts sieht man das Ergebnis für sogenannte Punkt-Gas-Sensoren.
Mikrostrukturen können jetzt umweltfreundlich per Umformwerkzeug (Mitte) Glasrohlinge (links) eingearbeitet werden. Rechts sieht man das Ergebnis für sogenannte Punkt-Gas-Sensoren.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Diese Sensoroptiken sind oft mit antireflektierenden Materialien beschichtet, um ungewollte Reflexionen zu reduzieren. Die Verfahren zur Beschichtung sind jedoch aus ökologischer und ökonomischer Sicht umstritten, sagen die Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen. Das muss nicht sein...

Was das Insektenauge kann, schaffen jetzt auch Glasoptiken

Denn einem Wissenschaftler-Team gelang es, eine Antifrelexion zu erreichen, indem sie die Sen soroptiken mit mechanisch eingearbeiteten Mikrostrukturen versahen. Einmal mehr handelt es sich dabei um die für diese Zwecke oft genutzten, sogenannten Mottenaugenstrukturen. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Projekts „MARS – Molded Anti-Reflex Structures“ durchgeführt. Das erklärte Ziel war eine neuartige Prozesskette zur Fertigung von Infrarotoptiken aus Chalkogenidglas für Punkt-Gas-Sensoren für die Laserspektroskopie zu entwickeln, wie es weiter heißt. Diese Glastype ist besonders transparent für infrarotes Licht. Der ebenso gute Brechungsindex garantiert eine hohe Abbildungsleistung, doch neigen solche Gläser zum Reflektieren. Das beeinträchtigt das Messergebnis.

Zurück zur Laserspektroskopie: Bei ihr erzeugen Laserdioden eine Strahlung, deren Frequenz je nach zu untersuchenden Gas angepasst wird,präzisieren die Experten. Das Ganze fokussierte sich hauptsächlich auf die Durchlässigkeit der Glasoptiken, um diese ohne die übliche Beschichtung zu verbessern.

Die Lösung basiert, wie man sich denken kann, auf dem Aufbau der Augen einiger nachtaktiver Motten. Denn die haben eine besondere Eigenschaft: auf ihrer Oberfläche befinden sich Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Diese bewirken, dass die Brechzahl vom Umgebungsmedium hin zum optischen Medium ständig größer wird. Und dieser Effekt reduziert das Reflexionproblem drastisch.

Eingepresste Mikrostrukturen verringern Produktionsaufwand

„Die Oberflächenstrukturierung der Glasoptiken ist im Vergleich mit der Antireflexbeschichtung deutlich schneller, deshalb auch günstiger und vor allem umweltschonender“, sagt Projektleiter Anh Tuan Vu. Das liege nicht zuletzt am gewählten Fertigungsverfahren – das isotherme Präzisionsblankpressen. Dabei werden Glasrohlinge in Form von Kugeln, polierten Scheiben oder Wafern zwischen zwei hochgenau gefertigten Werkzeughälften aufgeheizt, umgeformt und kontrolliert abgekühlt. Die Oberflächen der Formwerkzeuge wurden zuvor mithilfe verschiedener lithographischer Verfahren, wie etwa der Deep-Ultraviolet-Lithographie oder Elektronenstrahllithographie sowie galvanischer Abscheidung, mit den gewünschten Antireflexstrukturen versehen. Die Formwerkzeuge pressen die Mikrostrukturen dann in die Oberflächen des Glasrohlings, heißt es weiter. Selbst anspruchsvolle Mikrostrukturen könnten eingearbeitet werden. Die Experten haben bereits bewiesen, dass diese Vorgehensweise industrietauglich ist, wie es weiter heißt, und dass die gewünschte Antireflexfunktion garantiert werden kann. Man sagt, dass die Neulinge in Sachen Gaserkennung sogar noch besser seien als die bisherigen Varianten.

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