Ziel der Entwicklung
MEMS-IR-Strahler bieten zahlreiche Vorteile, insbesondere durch eine hohe Dynamik im Schaltverhalten. Dieses wird erreicht, indem die aktiven Gebiete nur sehr geringe thermische Masse aufweisen und sich somit unter Stromeinfluss schnell auf Betriebstemperaturen von 650°C oder auch 800°C erwärmen und thermische Strahlung emittieren. Die eingesetzten stromtragenden Schichten sind darum meist nur einige zehn bis wenige 100 Newtonmeter dünn. Dies führt zu sehr hohen Stromdichten, welche wiederum die Elektromigration, als einen stromgetriebenen Materialtransport und damit Degradation des Strahlers verursachen. Neben verkürzter Lebensdauer solcher Bauteile, verursacht auch schon die damit einhergehende allmähliche Drift der elektrischen Eigenschaften erhöhten Rekalibrationsaufwand im Einsatz. Das Ziel des Projektes besteht in der Entwicklung von elektromigrationsarmen Infrarotemittern, die dadurch noch höhere Lebensdauer und geringere Drift des elektrischen Widerstands aufweisen.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen der Projektarbeit wurde zunächst der Einfluss des Schichtaufbaus und der Morphologie der stromtragenden Schicht auf die Elektromigrationseigenschaften untersucht. Dabei zeigten sowohl die Materialwahl der angrenzenden Schichten als auch die Korngröße einen signifikanten Einfluss. Mithilfe geeigneter Prozessführung konnte die Korngröße gezielt vergrößert werden, sodass die Schicht höhere Stabilität auch bei hohen Stromdichten erreichte. Kombiniert mit geeigneten dielektrischen Einbettungsschichten wurde das Projektziel, ein besonders langzeitstabiler IR-Strahler, erreicht. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass diese Ergebnisse mit dem sehr etablierten Materialsystem Molybdändisilizid erreicht werden konnten, sodass die Ergebnisse schnell und direkt in Fertigungsprozesse überführt werden können.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die erzeugten Infrarotemitter weisen durch eine Verringerung der Elektromigration eine längere Bauteillebensdauer und eine geringere Widerstandsdrift über die Zeit auf, als vergleichbare Emitter. Dadurch werden Anwendungen, wie zum Beispiel Messungen über einen langen Zeitraum, ermöglicht. Neben der höheren Einsatzdauer der Bauelemente profitieren Anwender zudem von reduziertem Aufwand für Rekalibration beziehungsweise Wartung der damit ausgestatteten Sensorsysteme. Das Projekt ergänzt und unterstützt die strategische Ausrichtung des CiS Forschungsinstituts für die Entwicklung und Herstellung von IR-Komponenten mit kundenspezifischen Eigenschaften. Hauptanwendung der IR-Strahler sind optische Gassensoren, so genannte NDIR, welche in Umweltsensoren, Prozessüberwachung, Medizintechnik und in der Gebäudeautomation zum Einsatz kommen. Die Transferunternehmen können dabei die Vorteile langlebigerer Sensoren und geringerer Kosten in ihren Systemen nutzen und an die Endanwender übertragen. Bereits seit mehreren Jahren werden am CiS Forschungsinstitut solche Lösungen in Kleinserie für mittelständige Unternehmen im Haus gefertigt. Fokus dabei waren bisher vor allem die industrielle Prozessmesstechnik und Gebäudeautomation wie die bedarfsgerechte Belüftungsregelung. Bedingt durch die Corona-Pandemie ist in 2020 die Marktnachfrage nach solchen Komponenten extrem angestiegen, insbesondere durch den massiv gestiegenen Bedarf an kontaktloser Temperaturmessung sowie Gassensoren, insbesondere CO2-Messung, zur Belüftungssteuerung.
