Ziel der Entwicklung
Ziel der Entwicklung ist eine kompakte und optisch funktionalisierte Hausung für MEMS-Infrarot-Emitter. Diese Hausung soll zum einen die Systemintegartion mit maschinellen Lötprozessen (SMD-Prozesse) und aufgrund der geringen Größe auch günstigere Kostenstrukturen ermöglichen.
Der bestehende Standard zum Aufbau von MEMS-IR-Quellen sind TO-Sockel und in wenigen Fällen auch Standard-Keramik-Gehäuse. TO-Sockel sind nicht SMD-kompatibel und nur mit sehr speziellen Maschinen automatisiert zu handhaben. Bestehende Keramik-SMD-Packages sind an sich bereits kostspielig und tragen mit ihrer nicht optimierten Größe zu weiteren nicht-optimierten Folgekosten bei – wie z.B. bei Fenster- oder Filterkappen. Solche Infrarotoptischen Filter oder Fenster schließen die Hausung oberseitig ab. Ist die Hausung unnötig groß, müssen unnötig große Filterelemente eingesetzt werden, was für die Funktion und das Spektrum des IR-Emitters eigentlich nicht notwendig ist.
Vorteile und Lösungen
Das neuartige Package wurde mit einer Standard-Technologie im Bereich der LTCC-Leiterkarten (Low Temperature Cofired Ceramics) verwirklicht und garantiert individuell anpassbare sowie skalierbare Module. Die dabei genutzte Technologie der Flip-Chip-Montage ermöglicht es, den Filter in Chip-Größe direkt auf dessen Rückseite zu setzen, sodass die minimale Filtergröße erreicht wird. Die eingesparte Filterfläche kann die Mehrkosten einer individuellen LTCC-Lösung dabei kostenseitig kompensieren und sogar Kostenvorteile erreichen.
Zusätzlich schöpft diese Flip-Chip-Montage das Potenzial der genutzten Strahler-Technologie voll aus. Der Strahler besitzt unterschiedliche Emissionsspektren auf der Vorder- und Rückseite. Die Abstrahlung von Rückseite ist dabei vorteilhaft für den langwelligeren Infrarotbereich (8-12 µm), der für chemische Gasanalysen wichtig ist. In der herkömmlichen Technologie konnte eine Erhöhung in diesem Spektralbereich nur durch größere (=teurere) Chips und damit einhergehende Einschränkungen in der Dynamik erreicht werden. Beides kann mit den Demonstratoren der Projektarbeit überwunden werden.
Insgesamt entstand ein IR-Emitter-Modul, das mit üblichen SMD-Technologien weiterverarbeitet werden kann, die Filterkosten massiv reduziert und eine deutliche System-Miniaturisierung ermöglicht. Außerdem erschließt es mit seinem angepassten Emissionsspektrum ein neues Potenzial für miniaturisierte Gasmesstechnik in der sogenannten „Fingerprint“-Region (8-12 µm), in der viele organische Moleküle ihre charakteristischen spektralen Signaturen aufweisen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zur Zielgruppe zählen Transferunternehmen aus dem Bereich der Sensor- und Messgeräte-Branche, welche die entwickelte Technologie adaptieren oder die entstandenen Demonstratoren gemeinsam mit dem CiS Forschungsinstitut in kunden- und applikationsspezifische Serienprodukte überführen wollen.
Der bisherige Fokus liegt auf sensorischen Lösungen nach dem nicht-dispersiven Infrarot-Prinzip (NDIR), bei dem Stoffkonzentrationen in Gasen und Fluiden gemessen werden können. Eine Übertragung auf andere IR-optische Sensoranordnungen wie beispielsweise photo-akustische Sensoren (PAS) erscheint sinnvoll und mit entsprechender Anpassungsentwicklung machbar.
Das CiS Forschungsinstitut steht für neue Entwicklungen in diesen Zielmärkten als Partner für gemeinsame Förderprojekte oder auch direkte Auftragsentwicklungen zur Verfügung. Mit entsprechender Weiterentwicklung der hier erreichten Demonstratoren ist das CiS Forschungsinstitut in der Lage, die notwendigen Halbleiterbauelemente und Montagetechnologien auch in Kleinserie anzubieten. Auch ein Transfer der entwickelten Technologien und des entstandenen Know-hows zu Industriepartnern ist möglich.
