Ziel der Entwicklung
Infrarot-Detektoren (IR) kommen zur kontaktlosen Temperaturmessung und bei optischen Gassensoren zum Einsatz. Sie basieren auf weit verbreiteten Silizium-Technologien und sind dadurch kostenseitig deutlich attraktiver als andere IR-sensitive Halbleiterbauelemente. Allerdings ist Silizium selbst nicht als aktives optisches Element für die IR-Detektion geeignet. Stattdessen wird bei Thermopiles der Umweg über messbare Thermospannungen von heißen und kalten Enden verschiedener auf dem Silizium aufgetragener dünner Schichten als Messgröße genutzt. Die Empfindlichkeit ist dabei durch den in der kleinen Baugruppe erreichbaren Temperaturunterschied begrenzt, wobei große Chips höhere Empfindlichkeit erreichen. Gegenläufig ist hingegen die Dynamik der erfassten Signale, die bedingt durch den Wärmetransport im Chip besonders bei kleinerer Bauform verbessert wird. Um diesen Widerspruch aufzulösen und gleichzeitig verbesserte Empfindlichkeit und Dynamik zu erreichen, wurde mit dem Infrarotsensor inklusive integrierter Optik eine kompakte Einheit mit einer IR-durchlässigen Sammellinse entwickelt. Diese Linse sammelt das Licht einer großen Fläche, wodurch eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Anschließend fokussiert dieses auf einen verkleinerten Thermopile-Chip, wodurch die Dynamik verbessert wird.
Vorteile und Lösungen
Erreicht wurde das Ziel, indem IR-durchlässige Siliziumlinsen auf Waferebene sowie ein dazu abgestimmtes und optimiertes Thermopile entwickelt wurden. Um kosteneffektiv zu fertigen und zu montieren, werden Linsen und Thermopilewafer dafür bereits auf Waferlevel miteinander verbunden (Wafer Level Packaging). Dadurch können mehrere hundert Baugruppen in einem Schritt aufgebaut werden und müssen anschließend lediglich vereinzelt werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung ist dabei, alle Anforderungen der verschiedenen Halbleitertechnologien, der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Systemanforderungen der späteren Anwendung in allen Schritten zu berücksichtigen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptanwendungsgebiete von Thermopile-Sensoren sind in der kontaktlosen Temperaturmessung sowie in der Gassensorik zu finden. Zum Einsatz kommen solche Messungen in sehr vielen Branchen, zum Beispiel in der industriellen Messtechnik, der Medizintechnik und in der Sicherheits- und Umweltsensorik. Die Systemhersteller und Anwender profitieren insbesondere dann von den Projekterbnissen, wenn hohe Anforderungen an kurze Messzeiten oder Auflösung sehr kleiner Signale vorliegen. Beide Parameter können mit der im Projekt entwickelten Lösung deutlich verbessert werden, ohne dabei die Bauteilkosten überproportional zu steigern.
