Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung von Demonstratoren neuartiger MEMS-IR-Strahler mit integrierter Rückseitenverspiegelung und Reflektoren, um somit eine erhöhte Strahlungsausbeute im Spektralbereich zwischen sieben und zehn Mikrometer zu erreichen. Alle Strahlerkomponenten sollten dabei auf Waferebene mit dem eigentlichen Infrarot Strahler verbunden werden und auch die Membranen in der Fertigung schützen. Somit sollen auch die Systemanforderungen für den späteren Einsatz in einem Sensorsystem sinken und deutliche Kostensenkungen ermöglichen. Durch die Optimierung des Wirkungsgrades für den langwelligen Bereich sollten im Vergleich zu etablierten Bauteilen bei gleicher nutzbarer optischer Leistung niedrigere Betriebstemperaturen der Heizerschicht ermöglicht werden, was sich positiv auf die zu erwartende Bauteillebensdauer auswirken soll. Die integrierten Reflektoren für Micro Electro Mechanical System Infrarot Strahler verfolgten die Weiterentwicklung von Systemkomponenten und Halbleiterbauteilen, die in Infrarotlicht basierten Gassensoren zum Einsatz kommen. Wesentliche Neuerung dabei ist, eine kompaktere und leistungsfähigere Lösung zur verbesserten optischen Ausbeute bei infrarotemittierenden Micro Electro Mechanical System Strahlern zu erreichen. Technologisch stand dabei die Montage auf Waferlevel im Fokus, wodurch eine funktionale Hausung realisiert wird. Bisher konnte sie nur durch Einzel Chip Montage in größeren Gehäusen erreicht werden. Dadurch entstehen Vorteile sowohl bei erreichbarem Miniaturisierungsgrad als auch in der Kostenstruktur.
Vorteile und Lösungen
Der prinzipielle Aufbau des Strahlers besteht aus drei Komponenten, wie dem dreidimensional strukturierten Deckel, dem Device mit der Strahlermembran und dem Boden. Alle Komponenten wurden mit Siliziumwafern als Grundmaterial hergestellt. Die Device Komponente erzeugt die Infrarotstrahlung, deren Hauptanteil durch den Boden in die gewünschte Richtung abgestrahlt wird. Licht, das in die entgegengesetzte Richtung abgestrahlt wird, kann nun durch den verspiegelten Deckel zurückreflektiert werden, wodurch sich der optische Wirkungsgrad erhöht. Die drei Komponenten sind hermetisch gefügt. Tests ergaben Helium Leckraten von kleiner als zehn hoch neun Leckraten bei allen Prüfobjekten. Die Festigkeit der Fügeverbindung ist sehr hoch. In den besten Designvarianten wurden bei Überdruckprüfungen Berstdrücke von 100 bar überschritten. Die Emission erfolgt in einen Winkel von ungefähr 40° im Spektralbereich von zwei bis 15 Mikrometer, was gegenüber der Ausgangssituation eine erhöhte Strahlstärke im Bereich oberhalb von sieben Mikrometern bedeutet. Erste beschleunigte Lebensdauertests bei der derzeitig festgelegten Nennleistung weisen auf eine Betriebslebensdauer von mehr als einer Million Stunden hin.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptanwendung der verbesserten Infrarot Strahler werden optische und photoakustische Gassensoren sein. Der Markt für solche Sensoren hat sich im Laufe der Projektbearbeitung weiterhin gut entwickelt und folgt dem prognostizierten Wachstum im oberen einstelligen Prozentbereich pro Jahr. Aktuelle Marktstudien zu diesem Anwendungsfeld versprechen weiterhin starkes Wachstum mit nunmehr über zehn Prozent Steigerung pro Jahr in den kommenden fünf Jahren. Die Anwendung der Entwicklungsergebnisse erfolgt durch enge Kooperation mit Transferunternehmen. Zu den Transferunternehmen zählen insbesondere Hersteller von Infrarot basierten Sensoren und Messgeräten, vor allem kleine und mittlere Unternehmen, aber auch Massenfertiger aus der Halbleiter Sensor Industrie. Für die Erstgenannten ist das CiS Forschungsinstitut in der Lage, anwendungsspezifische und hochfunktionale Infrarot Komponenten zu entwickeln und anschließend in Kleinserie zu fertigen. Übersteigt der Bedarf dieser Unternehmen die Kapazitäten des CiS Forschungsinstitutes, kann ein Technologietransfer zu großen Halbleiter Produzenten erfolgen.
