Ein Bauteil, das im Labor korrekt messbar ist und im Einsatz versagt, ist fast immer eine Lücke in der Qualifizierung und kein Fertigungsfehler. Dieser Artikel beschreibt, wie Quarz- und Kristallglas für Biometrie und Fingerabdruckerkennung geprüft und qualifiziert wird, welche Normen gelten, welche Tests echte Schwächen aufdecken und welche Dokumentation mit einer Lieferung mitgehen sollte.
Optisches Quarz- und Kristallglas in Biometrie und Fingerabdruckerkennung
In Biometrie und Fingerabdruckerkennung bedeutet das eine konkrete Anforderungsliste und nicht eine allgemeine Vorliebe für Qualität. Biometrische Systeme müssen das lebendige Signal von allem anderen in der Szene trennen, was die spektrale Filterung zur Hauptfunktion der Optik macht. Fingerabdruck- und Irissysteme arbeiten bei definierten Wellenlängen, oft unter Nahinfrarot-Beleuchtung, und ein Filter, der das falsche Band durchlässt, beeinträchtigt die Erkennung genauso sicher wie ein verschmutzter Sensor.
Typische Ausfallarten und wie sie sich zeigen
Quarzausfälle sind eher optisch oder thermisch als mechanisch. Solarisation, ein allmählicher Verlust der UV-Transmission bei längerer Belastung, tritt in manchen Sorten auf und wird durch die Wahl von Material mit hohem OH-Gehalt vermieden. Devitrifikation, die Umwandlung der amorphen Oberfläche in kristalline Form bei hoher Temperatur in Anwesenheit von Verunreinigungen, erzeugt eine dauerhaft trübe Oberfläche und wird meist durch Alkali- oder Metallverunreinigung beim Umgang oder Brennen verursacht. Thermische Spannungsrisse entstehen dort, wo ein Bauteil eingespannt ist oder ein nicht berücksichtigter Gradient vorliegt. Beschichtungsabsorption verursacht Schadstellen im Lasereinsatz. In Biometrie und Fingerabdruckerkennung sollte ein bei hoher Temperatur auftretender Ausfall immer eine Überprüfung auslösen, was das Bauteil berührt hat – Handschuhe, Markierstifte und Verpackung sind häufige Quellen der Verunreinigung, die Devitrifikation auslöst.
Handhabung, Reinigung und Verpackung
Quarz ist hart aber spröde, und seine feinen Kanten brechen leicht aus, weshalb die Handhabungsregeln strenger sind als bei Kalk-Natron. Geschliffene und gefaste Kanten sind normal, und Teile werden üblicherweise mit partikelfreier Zwischenlage geliefert. Bei der Reinigung werden fluorwasserstoffhaltige Produkte vollständig vermieden, da selbst Spuren von HF Siliziumdioxid angreifen, ebenso starke alkalische Lösungen, die die Oberfläche mit der Zeit ätzen können. Fingerabdrücke auf einem UV-Teil sind funktionale Fehler und keine kosmetischen, weil organische Rückstände unterhalb von 250 nm stark absorbieren und sich bei UV-Belastung in die Beschichtung einbrennen. In Biometrie und Fingerabdruckerkennung zählt der Verpackungsstandard ebenso viel wie das Bauteil: Ein im Transport entstandener Kratzer auf einem DUV-Fenster kann bei Ankunft unentdeckbar und im Einsatz fatal sein.
Prüfung und Messtechnik
Die Prüfung von Quarzteilen geht über die üblichen Oberflächenqualitätskontrollen hinaus. Die Transmission sollte über das interessierende Band gemessen werden, einschließlich des tiefen UV, wo ein gewöhnliches Spektrophotometer möglicherweise nicht hinreicht. Homogenität und Doppelbrechung werden interferometrisch oder mit einem Polariskop geprüft, und Einschlüsse werden gegen eine Blasenklasse bewertet. Für Laseroptik gibt eine Prüfung der laserinduzierten Zerstörschwelle an einem Belegmuster aus derselben Charge weit mehr Sicherheit als ein Zertifikat allein. Maßprüfungen folgen der Zeichnung, mit besonderem Augenmerk auf die TTV von Wafern. In Biometrie und Fingerabdruckerkennung ist ein bezeugter Zerstörungstest oft der einzige Weg, einen Werkstoffwechsel gegenüber einem internen Kunden zu rechtfertigen, weil der Leistungsunterschied zwischen zwei Quarzsorten in keiner anderen Messung sichtbar sein muss.
Normen, Dokumentation und Rückverfolgbarkeit
Quarzoptiken werden über dieselben Zeichnungsnormen spezifiziert wie andere Elemente, ISO 10110 und ISO 12123, mit zusätzlichen Werkstoffspezifikationen zu OH-Gehalt, Blasenklasse und Homogenität. Laseranwendungen verweisen auf Normen für Zerstörschwellentests und verlangen oft Belegmusterdaten. Reinheitsspezifikationen werden für halbleiternahe Teile wichtig, wo Partikelzahl pro Flächeneinheit kontrolliert und dokumentiert wird. Die Umweltkonformität ist durch RoHS- und REACH-Erklärungen abgedeckt. In Biometrie und Fingerabdruckerkennung entscheidet die Dokumentation, die am häufigsten über die Freigabe eines Bauteils bestimmt, über die Rückverfolgbarkeit bis zur Materialcharge, denn ein während der Montage entdecktes Homogenitäts- oder Einschlussproblem lässt sich nur eingrenzen, wenn die betroffenen Teile identifiziert werden können.
Substrat- und Werkstoffauswahl
Innerhalb von Quarzglas gibt es eine echte Wahl zu treffen. Sorten mit niedrigem OH-Gehalt haben nahezu keinen Hydroxylanteil und transmittieren weiter ins Infrarot, mit geringerer Absorption um 2.7 Mikrometer, eignen sich also für IR- und Hochleistungsanwendungen. Sorten mit hohem OH-Gehalt enthalten einige hundert Teile pro Million Hydroxyl und werden bevorzugt, wo Leistung im tiefen UV und Widerstand gegen Solarisation zählen. Natürlicher Quarz wird eingesetzt, wo seine kristallinen Eigenschaften gebraucht werden, bringt aber mehr Einschlüsse mit, und seine Anisotropie erschwert das Polieren. Synthetischer Kristall (gezüchteter Quarz) bietet dasselbe optische Verhalten bei besserer Gleichmäßigkeit. In Biometrie und Fingerabdruckerkennung ist die Spezifikation, die die meisten Streitfälle verhindert, kein Sortenname, sondern eine Reihe von Zahlen: OH-Gehalt, Blasenklasse und die Transmissionskurve über das interessierende Band.
Anforderungen speziell für Biometrie und Fingerabdruckerkennung
In Biometrie und Fingerabdruckerkennung bedeutet das eine konkrete Anforderungsliste und nicht eine allgemeine Vorliebe für Qualität. Biometrische Systeme müssen das lebendige Signal von allem anderen in der Szene trennen, was die spektrale Filterung zur Hauptfunktion der Optik macht. Fingerabdruck- und Irissysteme arbeiten bei definierten Wellenlängen, oft unter Nahinfrarot-Beleuchtung, und ein Filter, der das falsche Band durchlässt, beeinträchtigt die Erkennung genauso sicher wie ein verschmutzter Sensor.
- Enge Bandpass- oder IR-Sperrdefinition bei der Betriebswellenlänge
- Kratzfeste, dem Nutzer zugewandte Oberfläche
- Stabiles Verhalten über einen weiten Einfallswinkelbereich
- Hohe Transmission für leistungsarme Beleuchtung
ISO/IEC 19794 im Kontext der Qualität biometrischer Daten, Zeichnungen nach ISO 10110 sowie RoHS- und REACH-Erklärungen.
Auswahldaten auf einen Blick
| Parameter | Typischer Wert | Hinweise |
|---|---|---|
| Transmissionsband | 185 - 2500 nm (Quarzglas) | Tiefes UV bis nahes IR |
| Brechungsindex | 1.458 (Quarzglas) | Niedrig und sehr gleichmäßig |
| CTE | 0.55 × 10⁻⁶ /K | Thermoschockbeständig |
| OH-Gehalt | < 10 ppm niedrig-OH, > 200 ppm hoch-OH | Ausgewählt nach UV- oder IR-Einsatz |
| Doppelbrechung | < 5 nm/cm (geschmolzen) | Kristalliner Quarz ist von Natur aus anisotrop |
| Ebenheit | λ/4 bis λ/10 | Quarzwafer bis λ/20 |
| Kratzer-Grübchen | 40-20 Standard, 20-10 Präzision | ISO 10110-7 |
| Dickenbereich | 0.1 - 30 mm | Wafer ab 0.1 mm |
| Kantenbearbeitung | geschliffen, gefast oder feingeläppt | Ausbrüche ≤ 0.05 mm |
Häufig gestellte Fragen
Wann sollte ich Quarz statt optischen Glas wählen?
Wenn das Bauteil unter etwa 300 nm transmittieren, einen schnellen Temperaturzyklus überstehen oder hoher Laserenergie widerstehen muss. Für Fenster und Filter im sichtbaren Licht erfüllt Borosilikat oder B270 dieselbe Funktion zu einem Bruchteil der Kosten.
Was ist der Unterschied zwischen Quarzglas mit niedrigem und hohem OH-Gehalt?
Material mit niedrigem OH-Gehalt hat einen minimalen Hydroxylanteil und transmittiert weiter ins Infrarot. Material mit hohem OH-Gehalt enthält einige hundert Teile pro Million Hydroxyl, was die Transmission im tiefen UV und den Widerstand gegen Solarisation verbessert.
Warum ist mein Quarzfenster bei hoher Temperatur trüb geworden?
Das ist Devitrifikation, und sie wird fast immer durch Verunreinigung verursacht – Alkali- oder Metallspuren aus Handhabung, Markierung oder Verpackung – und nicht durch den Werkstoff selbst. Spezifizieren Sie für Bauteile im Hochtemperatureinsatz eine verunreinigungsfreie Handhabung.
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