Ziel der Entwicklung

Projektziel war die Entwicklung eines neuen Thermopile-Infrarotsensors (TPS) auf der Basis einer CMOS-kompatiblen Stack-Verbindungstechnologie von Filter, Thermopile-Infrarotsensor und Trägersubstrat. Die Entwicklung umfasste für die Thermopile-Infrarotsensoren eine Polysiliziumschicht auf einer dünnen Siliziummembran, einen CMOS-kompatiblen Absorber und ein hermetisches Package auf Waferlevel für Kappen-, Sensor- und Support-Wafer. Dieses sollte durch Siliziumwaferdirektbonden realisiert werden. Die neuen Thermopile-Infrarotsensoren sind dadurch robust, kompakt, großserientauglich und kostengünstig. Sie können für die Gasdetektion und kontaktlose Temperaturmessung eingesetzt werden.
Die entwickelte Verbindungstechnologie für eine Hausung auf Waferlevel ist im Gegensatz zu anderen verfügbaren Technologien so ausgelegt, dass die Anfertigung der TPS großserientauglich ist. Die fragile Membran ist durch den Kappenwafer (optisch als Filter) und den Supportwafer (thermisch als Kühlkörper) geschützt. Die entwickelten Thermopile-Infrarotsensoren sind deswegen mechanisch robust, gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen hermetisch verschlossen und handhabungsleicht für die spätere Bestückung von Leiterplatten.
Eine Waferlevel-Stack-Verbindungstechnologie wurde entwickelt, sodass Kappenwafer, Devicewafer und Supportwafer verbunden sind. Die Rückseite des Kappenwafers musste so strukturiert werden, dass einerseits eine Kaverne für TPS-Membran und andererseits eine Öffnung für die Chippads hergestellt werden konnte. Zwei Waferlevel-Stack-Verbindungsverfahren wurden entwickelt. Das erste Verfahren konnte durch Glasfritten-SDB realisiert werden, wobei die Support- und Kappenwafer zuerst mittels einer Maske mit Glaspaste beschichtet und nach dem SDB mittels Glasfritten verbunden wurden. Das zweite Verfahren ist das Siliziumwaferdirektbonden, wobei die Bondflächen nach der ganzen Prozessierung glatt erhalten werden mussten.
Es wurden zwei Varianten von Polysilizium-TPS untersucht. Der erste TPS ist ein Thermopilesensor aus einem p-Polysilizium-n-Polysilizium-Paar. Der zweite TPS ist ein Thermopilesensor aus einem p-Polysilizium-Aluminium-Paar. Die realisierten Infrarotsensoren sind vergleichbar mit derzeitig verfügbaren standardisierten und kostenintensiven Silizium-Thermopiles, jedoch wurden die TPS mit einem zuverlässigen und etablierten CMOS- kompatiblen Prozess bis zur Verkappung auf Waferlevel hergestellt. Ein Sensorevaluierungsmessplatz wurde aufgebaut, um die TPS systematisch zu charakterisieren und Optimierungsmöglichkeiten zu erkennen.

Vorteile und Lösungen

Der wesentliche Vorteil der Lösung ist eine deutlich kompaktere Bauform sowie reduzierte Stückpreise der erreichten Baugruppe. Stand der Technik für die Hausung von Thermopile-Chips ist aktuell noch die Einzelchipmontage auf TO-Sockeln oder in keramischen Gehäusen. Zusätzlich zu der relativ aufwändigen Montage und elektrischen Kontaktierung muss auch die Kappe solcher Baugruppen mit Fenstern oder Filtern versehen werden. Dieser Aufwand kann mit den Projektergebnissen drastisch reduziert werden, da hier elektrische Anschlüsse (wie bei SMD-Bauteilen), Filterkappe und hermetische Hausung auf Waferebene verbunden werden und lediglich noch vereinzelt werden müssen. So können mehrere Tausend Chips gleichzeitig in einem Prozess montiert werden. Gleichzeitig sind die so entstehenden Bauelemente nur wenig größer als der eigentliche Sensorchip und damit deutlich kompakter als alle bekannten Standard-Hausungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Projekt basiert auf CMOS-kompatiblen MEMS-Technologien und wird für berührungsfreie Detektion, Identifikation und Analyse eingesetzt. Darüber hinaus fungieren Thermopiles als IR-Detektoren in NDIR-Gas-Sensoren, die für zahlreiche Einsatzszenarien genutzt werden. Für Gassensoren gibt es folgende Zielmärkte.

1. Umwelttechnik
Im Bereich des Umweltschutzes können Infrarotdetektoren Treibhausgase messen, die zur globalen Erwärmung beitragen. Treibhausgase umfassen Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas, FCKW und Verbindungen wie HFC (Hydrofluorocarbons) und PFC (Perfluorinated carbons). Sie alle können mittels TPS mit passenden Bandfiltern spezifisch detektiert werden. Um die Konzentration von den durch Menschen verursachten FCKWs, HFCs, und PFCs niedrig zu halten, müssen sie an der Stelle des Verbrauchs überwacht werden. TPS sind eine geeignete Methode für gasspezifische Messungen.

2. Sicherheit
Für thermopilebasierte Infrarotgasdetektoren gibt es viele industrielle Anwendungen: tragbare, batteriebetriebene und leichte Instrumente für engsten Raum, an gefährlichen Arbeitsplätzen, für Gasleckdetektion oder für die Deponieüberwachung und als analytische Instrumente für industrielle Tests und Messungen. Sie werden benutzt, um vor der Akkumulation explosiver Gase zu warnen, oder um die Atmosphäre zu messen, bevor ein Mensch in einen Abflusskanal, Tank oder anderen Behälter einsteigt. Eine wichtige Industrietendenz stellen drahtlose Gassensoren dar, die giftige oder entflammbare Gase in einem sicheren Abstand detektieren. Die Nutzung als tragbare Geräte führt zur Entwicklung der smarten Gassensoren, die den Anwendungsumfang der Infrarotsensoren deutlich erweitern werden. Die Anforderungen an die Arbeitssicherheit werden als Triebkraft der Märkte für die nächsten Jahre erwartet.

3. Haustechnik
Der größte potenzielle Markt für die Infrarot-Gasdetektoren ist die CO-Detektion in Gebäuden für die Detektion von Rauch und Feuer. In der HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) und IAQ (indoor air quality) bieten Thermopile- Infrarotgasdetektoren die Möglichkeit zur Überwachung der CO2-Konzentration als ein Kennzeichen für die Luftqualität in großen öffentlichen Gebäuden und Büros, die mit Klimaanlagensystemen ausgestattet sind.

4. Automobil
Viele Staaten haben Regeln in der Form, dass Analysatoren der Fahrzeugabgase IR-basiert sein müssen, wenn die Gase infrarotaktiv sind. Die infrarotaktiven Gase umfassen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Auch tragbare Instrumente benutzen die Infrarotgasabsorptionsmethode. Eine Überwachung der CO2 Konzentration in Fahrzeugen kann den Energieverbrauch durch das Ventilationssystem senken. Ein Luftqualitätssensor in Fahrzeugen kann gesundheitsschädliche Gase im Luftzuleitungskanal detektieren und gegebenenfalls schließen.

5. Instrumentation
Es gibt zahlreiche Nischenmärkte für wissenschaftliche Instrumente, wo Geräte für biochemische Forschung, Klimaforschung, Umweltüberwachung, Sicherheit, Medizintechnik, Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie entwickelt werden.