Helios
Die Sensortechnologie entwickelt sich in rasantem Tempo. Unter der Leitung des österreichischen Unternehmens ams AG hat ein Konsortium von europäischen Technologieanbietern, darunter Bühler, die neuste Generation von Sensoren entwickelt. Eine Marktinnovation der besonderen Art – denn diese neuen Sensoren vereinen gleich mehrere Funktionen, wie etwa Blende, Linsen und Filter in einem Bauteil, auf kleinstem Format.
Dezember 2020
Wir alle sind in unserem Alltag von unzähligen Sensoren umgeben: unsere Smartphones, unser Auto, der Fitness-Tracker am Handgelenk, der smarte Kühlschrank, der Roboterrasenmäher, die intelligente Strassenbeleuchtung. Die technische Welt besteht zu einem beachtlichen Teil aus Sensortechnologien, die sich rasant verändern und weiterentwickeln. So werden unsere mobilen Geräte intelligenter, intuitiver, sensitiver – und stromsparender. Und die darin enthaltenen Sensoren immer kleiner und präziser.
Der Sensorenmarkt wird gleich von zwei Seiten angetrieben: Einerseits gibt es viele High-End-Lösungen in hochspezialisierten Bereichen wie etwa der Spitzenmedizin oder der Weltraumforschung, und die Hersteller finden nun Möglichkeiten, diese Lösungen durch Skalierung der Produktion auch für Normalverbraucher zugänglich zu machen. Anderseits entsteht eine erhöhte Nachfrage auf der Seite der Endkonsumenten – ist eine Technologie erst einmal im Consumer-Bereich angekommen, wollen sie alle. Und sie wollen sie zu einem günstigen Preis. Dies treibt wiederum die Hersteller an, noch höhere Stückzahlen in gleicher Zeit zu produzieren, um die Preise zu senken.
Unter der Leitung des österreichischen Unternehmens ams AG, eines weltweit führenden Anbieters von hochwertigen Sensorlösungen, hat nun ein Konsortium von Technologieunternehmen, darunter Bühler Leybold Optics, eine neue High-End-Lösung für die Herstellung von solchen optischen Sensoren entwickelt. Es handelt sich um den weltweit ersten Lichtsensor, der mehrere Filter und optische Elemente wie Linsen und Blende auf minimalem Raum vereint. Diese miniaturisierten Sensoren eignen sich besonders für den Einsatz in Smartphones oder sogenannten Wearables, etwa Fitness-Tracker oder intelligente Kopfhörer. Durch die hohe Genauigkeit der optischen Filter können weitere Sensoren für punktgenaue diagnostische Anwendungen realisiert werden. «Im Prinzip ermöglicht diese Innovation die Integration von mehreren optischen Komponenten auf kleinstem Raum», sagt Rainer Minixhofer, Head of Technology bei ams AG. «Dadurch können zum Beispiel neuartige Miniaturkameras oder Fingerprintsensoren realisiert werden.» Das Projekt der beteiligten Technologieunternehmen trägt den Namen HIOS (Highly Integrated Optoelectronical Sensor) und wurde im Rahmen der Horizon-2020-Finanzhilfevereinbarung Nummer 720531 (Fast Track to Innovation) von der Europäischen Union mitfinanziert.
«Der wesentliche Beitrag von Bühler an diesem Projekt war, die bestehende Beschichtungstechnologie der HELIOS 800 weiter auf die Anforderungen der Halbleiterindustrie anzupassen und die Produktivität weiter zu verbessern», sagt Klaus Herbig, Head of Product Management bei Bühler Leybold Optics. «Zudem wurden neue optische Filter für zukünftige Sensoren entwickelt. Gerade hier konnte Bühler Leybold Optics mit seiner Erfahrung in der Herstellung optischer Schichtsysteme für die Präzisionsoptik einen erheblichen Beitrag zum Erfolg des Projekts leisten.»
Im Prinzip ermöglicht diese Innovation die Integration von mehreren optischen Komponenten auf kleinstem Raum
Rainer Minixhofer,
Head of Technology bei ams AG
Je nach Zusammensetzung reflektiert dieser Filter unterschiedliche Wellenlängen.
Klaus Herbig,
Head of Product Management bei Bühler Leybold Optics
Durch die Beschichtungen von Leybold Optics lernen die Sensoren, ihre Umgebung wahrzunehmen. Die nanometerdünnen Schichten bewirken etwa, dass die Kamera im Smartphone die Lichteinstrahlung reguliert oder dass das intelligente Auto in der Nacht die Umgebung mittels Infrarotstrahlung sehen kann. «Die Technologie basiert auf einem Vakuumbeschichtungsverfahren, der sogenannten Kathodenzerstäubung (englisch: Sputtering). Dabei wird das Beschichtungsmaterial, meist ein Metall wie etwa Silizium oder Tantal, als Rohr oder Scheibe in die Kathode eingesetzt (englisch: Target)», erklärt Klaus Herbig. «In einer Plasmaentladung werden einzelne Edelgasionen erzeugt, die auf die Kathode beschleunigt werden. Sie schlagen so einzelne Metallatome aus dem Target heraus, die sich dann auf dem Filter niederschlagen. Durch die Zugabe von Sauerstoff wird das Material oxidiert und transparent. So entstehen mehrere nanometerdünne Schichten aus verschiedenen Materialien. Je nach Zusammensetzung reflektiert der so entstandene Filter unterschiedliche Wellenlängen.»
Die HELIOS-Technologie ist heute so weit fortgeschritten, dass die produzierten Filter die Lichtwellen sehr differenziert aussortieren können. Sie arbeiten im Lichtspektrum von Ultraviolett bis Infrarot. Bis zu 800 Schichten an verschiedenen optischen Materialien werden dafür auf einen Filter aufgetragen. Entscheidend ist auch, dass eine HELIOS-Anlage mehrere Werkstücke gleichzeitig beschichten kann und so die Produktionsvolumen hoch sind. Das macht die Herstellung der Filter wesentlich kostengünstiger.
In den letzten drei Jahren hat Bühler seine HELIOSTechnologie weiterentwickelt. Das bestehende System HELIOS 800 wurde auf die zweite Generation aufgerüstet, um Beschichtungen nahezu ohne Partikelkontamination zu ermöglichen. Darüber hinaus wurde das neue System HELIOS 1200 entwickelt, das einen deutlich höheren Durchsatz und die Beschichtung von grösseren Substraten ermöglicht, mit rund dreimal mehr Filtern pro Substrat. Mit den neuen Entwicklungen kann Bühler Leybold Optics auf die sich ändernden Marktbedürfnisse reagieren und seine Position als Innovator in der Vakuumdünnschichttechnologie stärken.
Die Entwicklungen des HIOS-Konsortiums, inklusive des Einsatzes der neusten HELIOS-Technologie, brachte hervorragende Ergebnisse in Bezug auf die Qualität der optischen Filter, sodass die Technologie nun in neue Sensoren für Anwendungen mit UV- sowie sichtbaren und Infrarotwellenlängen implementiert werden kann. «Durch die Mitwirkung an diesem Projekt und die hervorragende Zusammenarbeit aller beteiligten Firmen konnten wir die Innovationsgeschwindigkeit deutlich erhöhen», sagt Herbig. «Es wurden einerseits neue Sensoren in einer kürzeren Zeit zur Marktfähigkeit entwickelt, andererseits konnte Bühler Leybold Optics seine Beschichtungstechnologie für diesen speziellen und stark wachsenden Markt weiterentwickeln und seine Wettbewerbsfähigkeit damit ausbauen.»
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