Elasto­ka­lo­ri­sche Mikro-Kühlung mit ultra­ho­her Lebens­dauer für photo­ni­sche Systeme

Dieses Projekt entwi­ckelt eine neuar­tige elasto­ka­lo­ri­sche Mikro-Kühltech­no­lo­gie für photo­ni­sche Systeme. Die elasto­ka­lo­ri­sche Kühlung nutzt spannungs­in­du­zierte Tempe­ra­tur­än­de­run­gen in Formge­dächt­nis­le­gie­run­gen, um ohne herkömm­li­che Kälte­mit­tel zu kühlen. Obwohl sie für minia­tu­ri­sierte Geräte vielver­spre­chend ist, leiden aktuelle Dünnschicht­sys­teme unter einer begrenz­ten Lebens­dauer. Das Projekt unter­sucht das Ermüdungs­ver­hal­ten von Formge­dächt­nis­le­gie­rungs­fil­men und entwi­ckelt eine neue Geräte­ar­chi­tek­tur auf Basis eines thermi­schen Schalt­me­cha­nis­mus, der wieder­hol­ten mecha­ni­schen Kontakt vermei­det. Ziel ist es, eine Betriebs­le­bens­dauer von mehr als einer Million Zyklen zu errei­chen und das Kühlsys­tem in integrier­ten photo­ni­schen Platt­for­men zu demonstrieren.

Mit der fortschrei­ten­den Minia­tu­ri­sie­rung elektro­ni­scher und photo­ni­scher Systeme gewinnt eine effizi­ente Tempe­ra­tur­kon­trolle zuneh­mend an Bedeu­tung. Photo­ni­sche Kompo­nen­ten wie optische Modula­to­ren, Multi­ple­xer oder integrierte Schalt­kreise reagie­ren beson­ders empfind­lich auf Tempe­ra­tur­schwan­kun­gen. Schon kleine lokale Tempe­ra­tur­än­de­run­gen können zu Signal­ver­lus­ten, Wellen­län­gen­drift und gerin­ge­rer Energie­ef­fi­zi­enz führen. Gleich­zei­tig sind konven­tio­nelle Kühlsys­teme auf Basis von Kompres­si­ons­käl­te­ma­schi­nen energie­in­ten­siv und nutzen häufig Kälte­mit­tel mit hohem Treibhauspotenzial.

Eine vielver­spre­chende Alter­na­tive stellt die elasto­ka­lo­ri­sche Kühlung dar. Diese Festkör­per-Kühltech­no­lo­gie nutzt spannungs­in­du­zierte Tempe­ra­tur­än­de­run­gen in super­elas­ti­schen Formge­dächt­nis­le­gie­run­gen (Shape Memory Alloys, SMA), um Kühlung zu erzeu­gen – ganz ohne umwelt­schäd­li­che Kälte­mit­tel. In den letzten Jahren konnten dabei bereits große Tempe­ra­tur­än­de­run­gen und hohe Materi­al­ef­fi­zi­en­zen demons­triert werden. Beson­ders dünne SMA-Filme sind für Minia­tu­r­an­wen­dun­gen inter­es­sant, da ihr großes Oberflä­chen-Volumen-Verhält­nis eine schnelle Wärme­über­tra­gung und kompakte Integra­tion ermöglicht.

Ein zentra­les Problem dieser Techno­lo­gie ist jedoch die begrenzte Ermüdungs­le­bens­dauer der Materia­lien. Viele bisher entwi­ckelte Systeme versa­gen bereits nach wenigen tausend Zyklen. Für den Einsatz in photo­ni­schen Syste­men, die langfris­tig stabil arbei­ten müssen, ist dies nicht ausrei­chend. Ziel des Projekts ist daher die Entwick­lung eines elasto­ka­lo­ri­schen Mikro-Kühlsys­tems mit einer Lebens­dauer von mehr als einer Million Betriebszyklen.

Um dieses Ziel zu errei­chen, kombi­niert das Projekt Materi­al­for­schung, Geräte­ent­wick­lung und photo­ni­sche System­in­te­gra­tion. Zunächst wird das Ermüdungs­ver­hal­ten verschie­de­ner SMA-Dünnfilme mithilfe moder­ner mikro­me­cha­ni­scher Testme­tho­den sowie hochauf­lö­sen­der mikro­sko­pi­scher Verfah­ren unter­sucht. Dabei sollen Materi­al­zu­sam­men­set­zun­gen und Mikro­struk­tu­ren identi­fi­ziert werden, die eine beson­ders hohe Ermüdungs­be­stän­dig­keit bei gleich­zei­tig starker elasto­ka­lo­ri­scher Wirkung ermöglichen.

Darauf aufbau­end wird eine neue Geräte­ar­chi­tek­tur entwi­ckelt. Anstelle herkömm­li­cher Wärme­über­tra­gungs­me­cha­nis­men, die auf wieder­hol­tem mecha­ni­schem Kontakt beruhen, wird ein innova­ti­ver thermi­scher Schal­ter einge­setzt. Dieser basiert auf Elektro­wet­ting-Techno­lo­gie und ermög­licht eine kontrol­lierte Wärme­über­tra­gung ohne mecha­ni­sche Bewegung zwischen Kühlungs­ele­ment und Wärme­quelle. Dadurch werden mecha­ni­sche Spannun­gen reduziert und die Zuver­läs­sig­keit des Systems deutlich erhöht.

Im letzten Schritt wird das entwi­ckelte Kühlsys­tem in eine photo­ni­sche Platt­form integriert und unter realis­ti­schen Bedin­gun­gen getes­tet. Ziel ist es zu zeigen, dass elasto­ka­lo­ri­sche Mikro-Kühlung die Tempe­ra­tur­sta­bi­li­tät photo­ni­scher Schalt­kreise verbes­sern und damit deren Leistungs­fä­hig­keit und Energie­ef­fi­zi­enz steigern kann.

Die Zusam­men­ar­beit von Prof. Peter Gumbsch (KIT und Fraun­ho­fer IWM), Prof. Juerg Leuthold (ETH Zürich) und Dr. Jingyuan Xu (KIT) vereint Exper­tise aus Materi­al­wis­sen­schaft, Photo­nik und Mikro­sys­tem­tech­nik. Gemein­sam entwi­ckeln die Projekt­part­ner eine neue Genera­tion langle­bi­ger und energie­ef­fi­zi­en­ter Kühllö­sun­gen für zukünf­tige photo­ni­sche und mikro­elek­tro­ni­sche Systeme.