Technologie

Glasoptiken für Sensoren nach dem Vorbild der Natur

26.01.2021 - Mottenaugen-Mikrostrukturen statt umweltschädlicher Beschichtung.

Mit Punkt-Gas-Sensoren lassen sich die Zusammen­setzung der Erd­atmo­sphäre sowie die Kon­zen­tra­tion bestimmter Gase wie Methan bestimmen. In den Sensoren sind Optiken aus Glas verarbeitet. Diese Sensor-Optiken sind oft mit anti­reflek­tie­renden Materi­alien beschichtet, um unge­wollte Reflexion zu redu­zieren. Die Verfahren zur Beschichtung sind jedoch aus öko­lo­gischer und öko­no­mischer Sicht umstritten. Einen umwelt­schonenden, kosten­günstigen und effi­zienten Weg entwickelte jetzt ein Team des Fraun­hofer-Instituts für Produk­tions­techno­logie in Aachen.

Den Forschern gelang es erstmals, die Reflexion auf Sensor-Optiken zu verringern, indem sie deren Ober­flächen mit Mikro­strukturen versahen, wie sie auf den Augen nacht­aktiver Motten zu finden sind. Ziel des Projekts „MARS – Molded Anti-Reflex Structures“ war, eine neuartige Prozess­kette zur Fertigung von Infra­rot­optiken aus Chalkogenid­glas für Punkt-Gas-Sensoren für das Laser­spektro­skopie-Verfahren zu entwickeln. Dabei erzeugen Laser­dioden eine Strahlung, deren Frequenz je nach zu unter­suchenden Gas angepasst wird.

Das Hauptaugenmerk der Forscher lag darauf, die Durch­lässig­keit der Glas­optiken zu verbessern, ohne die Optik­ober­flächen zu beschichten. Statt­dessen brachten die Forscher Mikro­strukturen in die Ober­flächen ein. Dabei ließen sie sich von der Natur inspi­rieren: Die Augen einiger nacht­aktiver Motten haben eine besondere Eigen­schaft – auf ihrer Ober­fläche befinden sich Strukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellen­länge des ein­fallenden Lichts. Die Strukturen bewirken einen stetigen Anstieg der Brech­zahl vom Umgebungs­medium hin zum optischen Medium, wodurch die Reflexion stark verringert wird. Solche Strukturen galt es im Projekt MARS in die Optik-Ober­flächen einzu­bringen.

Glasoptiken in Sensoren müssen im infra­roten Spektral­bereich trans­parent sein und über einen hohen Brechungs­index verfügen. Aufgrund seiner hervor­ragender Eigen­schaften im Infra­rot­bereich ist Chalkogenid­glas ein beliebtes Material für solche Sensor­optiken. Es verfügt über einen recht hohen Brechungs­index, welcher eine gute Abbildungs­leistung gewähr­leistet. Leider geht ein hoher Brechungs­index mit einem hohen Reflexions­grad einher, was die Licht­durch­lässig­keit mindert und zu Über­ragungs­ver­lusten führt.

„Die Oberflächen­struktu­rierung der Glas­optiken ist im Vergleich mit der Anti-Reflex-Beschichtung deutlich schneller, kosten­günstiger und vor allem umwelt­schonender“, sagt Projekt­leiter Anh Tuan Vu. Das liegt nicht zuletzt an dem Fertigungs­verfahren, das die Forscher wählten: das isotherme Präzisions­blank­pressen. Bei diesem Fertigungs­verfahren 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, etwa der Deep-Ultra­violet-Litho­graphie oder Elektronen­strahl-Litho­graphie sowie galva­nischer Abscheidung mit den gewünschten Anti­reflex­strukturen versehen. Die Form­werk­zeuge pressen die Mikro­strukturen dann in die Ober­flächen des Glas­roh­lings. Selbst anspruchs­volle Mikro­strukturen können auf diese Weise auf die Ober­flächen von Glas­optiken einge­bracht werden.

In mehreren Versuchs­reihen gelang es, die Anti-Reflex-Motten­augen­struktur in die Ober­flächen von Glas­linsen einzu­bringen. „Wir haben eine industrie­taugliche Prozess­kette zur Fertigung kompakter und robuster Punkt-Gas-Sensoren entwickelt, die den aktuellen Stand der Technik in den Bereichen Sensi­ti­vität, Zuver­lässig­keit und Kosten­effi­zienz weit über­trifft“, so Anh Tuan Vu. „Und die Optiken weisen nun mit der umge­formten Struktur eine gute Anti­reflexions­wirkung auf.“

Fh.-IPT / RK

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