Ziel der Entwicklung
Die aktuellen Klimaschutzziele sind treibende Kraft für die Entwicklung neuer Gassensoren. Vor allem steigt die Vielfalt der Gasarten, für die Sensoren benötigt werden.
Zunehmend wird der photoakustische Effekt für Gassensoren verwendet. Da der aktive Prozess der Umwandlung von Strahlungsenergie in eine Druckwelle im Inneren der Referenzstrecke auf der Absorption vom Zielgas basiert, ist der Detektor selbst nur auf diesen Wellenlängenbereich des Zielgases empfindlich. Optische Filter, welche übliche NDIR-Sensoren oder das Ein-Kammer-System verwenden, sind überflüssig. Hierauf beruht auch das Miniaturisierungspotential des Systemansatzes.
Das Ziel in diesem Vorhaben war die Entwicklung eines integriert herstellbaren photoakustischen Gassensors, als offenes oder geschlossenes System.
Vorteile und Lösungen
Das Primärziel war die Entwicklung der Mikrofonkomponente für einen photoakustischen Gassensor mit folgenden Randbedingungen:
1. die Empfindlichkeit ist besser als 1 mV/(V/Pa),
2. geeignet zum „Wafer-Level-Packaging“ (WLP),
3. Fähigkeit zum Silizium-Direkt-Bonden,
4. vorzugweise piezoresistive Prinzip, da dies für eine WLP günstiger ist,
5. Einsatzbereich von -40°C bis 140°C.
Mittels eines Multi-Layout-Ansatzes, wurden Mikrofonchips mit einer sehr empfindlichen piezoresistiven Messbrücke entwickelt. Einige Varianten sind zum Wafer-Level-Packaging geeignet. Die Realisierung, insbesondere der 2 µm dicken Biegeplatte, mit den partiell freigestellten Rändern erhöhte das Fertigungsrisiko. Die Ausbeute betrug 50-60%.
Einige Designs sind geeignet zum Wafer-Level-Packaging, dieses setzt voraus, dass sich nur dieses Design auf dem Wafer befindet.
Aus diesem Grund wurde hybrid aufgebaut und getestet. Es konnte gezeigt werden, dass das System grundsätzlich gut funktioniert. Mit dem selbst entwickelten Zweikammersystem konnten nach Verstärkung, Empfindlichkeiten von 0,26 µV/(ppm CO2) mit Querempfindlichkeiten 60 µ V/K (Temperaturabhängigkeit), 0,006 µV/(ppm N2O), 0,005 µV/(ppm H2O) bestimmt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Diese Neuentwicklung erweitert die Einsatzvielfalt für spezielle Anwendungen der Gassensorik. Vor allem Kunden von Gassensorherstellern, welche die Vorteile des photoakustischen Messprinzip nutzend, eigene Messsysteme entwickeln wollen und bisher keinen Zugang zu den Sensormodulen haben, können hier ihre Produktportfolio ergänzen oder erweitern.
Beispiele für Anwendungen liegen im Bereich des Klima- und Umweltschutzes zur Verbesserung des Energiemanagements, der Prüfung der Luftqualität oder in der Medizintechnik als hochsensitive Atemgas-Sensoren.
Ziel dieses Vorhabens war es, eine Technologieplattform zu entwickeln, aus der sich kundenspezifische Lösungen ableiten lassen, mit den Merkmalen:
• photoakustische Gassensorelemente
• Mikrophon vorzugsweise basierend auf piezoresistiven Messprinzip
• integriert herstellbar
• als offenes oder geschlossenes System
• Einsatz von Wafer-Level-Packaging
• miniaturisiertes Design
• Erstellung von Designtools für die Simulation von kundenspezifischen Lösungen
Die Ergebnisse können für die kundenspezifische Entwicklung von photoakustischen Sensorelementen eingesetzt werden. Somit wird es kleinen und mittelständischen Unternehmen ermöglicht, ihr eigenes Sensorsystem zu entwickeln, was derzeit schwierig ist, da große Hersteller von Sensorelementen zunehmend dazu übergehen, nicht diese Elemente zu verkaufen, sondern komplette Sensormodule.
Aufgrund der waferbasierten Herstellung und der angestrebten Miniaturisierung besteht Potenzial für eine Fertigung der kundenspezifischen Sensorelemente auch in höheren Stückzahlen zu attraktiven Kosten.
