Ziel der Entwicklung
MEMS-IR-Emitter sind seit einigen Jahren etablierte Alternativen zu klassischen Glühlampen oder IR-LEDs, die als Lichtquelle in optischen Sensorsystemen zum Einsatz kommen. Im Vergleich zu LEDs weisen diese thermisch emittierenden Chips ein deutlich breiteres Spektrum und eine wesentlich höhere Strahlungsleistung im Infraroten auf und können so für eine Vielzahl verschiedener Verbindungen und Gasspezies gleichermaßen genutzt werden. Gegenüber Glühlampen besteht der Vorteil der langzeitstabilen geometrischen Form, des breiteren IR-Spektrums (größer 5 µm) und der kompakten Bauform.
Im Stand der Technik vor Projektbeginn war die erreichbare Dynamik solcher MEMS-IR-Emitter auf etwa 30 Hz begrenzt. Damit waren eine Reihe von Applikationen nicht adressierbar, wie z.B. die medizinische Atemgasanalyse, bei der die Mindestanforderung bei 100 Hz liegt. Die erreichbare Dynamik ist in dieser Technologie durch die thermische Masse der aktiven Gebiete der Emitter limitiert, welche mit der Fläche skalierbar ist. Anhand von Prototypen sehr kleiner Chips konnte zwar eine Dynamik bis 100 Hz bereits demonstriert werden, jedoch skaliert auch die maximale optische Leistung mit der Fläche. Diese war für die praktische Anwendung bisher nicht ausreichend.
Ziel der Entwicklung war darum, einen MEMS-IR-Emitter zu realisieren, der sowohl hohe Dynamik (größer 100 Hz) als auch ausreichend hohe optische Leistung (größer 100 mW) erreichen kann.
Vorteile und Lösungen
Der Lösungsansatz basiert auf dem parallelen Betrieb vieler kleiner – und damit flinker – aktiver Gebiete anstelle der üblichen Realisierung einer einzelnen, großen aktiven Fläche. Dieser Ansatz ermöglicht es, die optische Leistung über die Anzahl der aktiven Einzelflächen zu summieren, um die geforderte optische Mindestleistung zu erreichen und dabei gleichzeitig die Dynamik eines kleinen Einzelchips zu erhalten.
Zu Beginn der Projektarbeit wurde dieser Ansatz zunächst durch die hybride Integration mehrerer Einzelchips auf einem gemeinsamen Sockel mit hoher Packungsdichte verifiziert. In verschiedenen Varianten der Verschaltung (Reihen-, Parallelschaltung und Mischungen davon) und Packungsdichte wurden erste praxistaugliche Demonstratoren aufgebaut und untersucht. Anhand dieser Aufbauten konnten zudem die theoretischen Modelle verifiziert und passende Prüfplätze entwickelt werden.
Parallel dazu erfolgte die modellgestützte Simulation von voll-integrierten Arrays. Im Vergleich zur hybriden Variante kann hier auf kleinerer Fläche die elektrische Verschaltung der Einzelflächen realisiert werden. Zudem besteht über die Gestaltung der Zwischenstege und Geometrie eine zusätzliche Manipulationsmöglichkeit, mit der optische Gesamtleistung und Dynamik optimiert werden können. Die Simulationen führten zu bevorzugten Varianten der Emitter-Arrays, welche in einen gemeinsamen Waferentwurf überführt und in den Reinräumen im Haus realisiert wurden. Die so gefertigten Chips wurden anschließend vereinzelt auf verschiedenen Prüfsockeln aufgebaut und ausführlich getestet.
Es zeigte sich, dass die Arrays die gesteckten Ziele für Dynamik und optische Leistung erreichen können. Im Vergleich zu etablierten Einzelstrahlern sinkt aufgrund der höheren Wärmeableitung aus den einzelnen kleinen aktiven Flächen der Wirkungsgrad – es wird also eine leicht höhere elektrische Leistung im Vergleich zu etablierten Einzelstrahlern mit einer großen aktiven Fläche benötigt.
Die realisierten Demonstratoren stehen für die Entwicklung neuer optischen Sensorsysteme als Demonstratoren zur Verfügung. Erste Erprobungen bei den LOI-Gebern lieferten sehr positive Ergebnisse.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zur Zielgruppe zählen Sensor- und Messgerätehersteller, welche nach dem Prinzip der Nicht-dispersiven Infarot (NDIR) Spektroskopie oder mittels Photo-akustischer Wechselwirkung die Konzentrationen in Stoffgemischen (z.B. Gase, Öle, andere Fluide) messbar machen. Auch die Übertragung der Technologie auf andere sensorische Messprinzipien erscheint vielversprechend – wie beispielsweise in Form von Pirani-Drucksensoren oder Pellistoren.
Zu den Transferunternehmen zählen z.B. Medizintechniker mit Spezialisierung auf die Atemgas-Analytik, um beispielsweise technische Geräte für die Lungenfunktionsdiagnostik zu entwickeln. Andere Applikationen sind bei der industriellen Prozessüberwachung oder in der Umweltsensorik zu sehen.
Für solche Akteure stehen die im Projekt entwickelten Demonstratoren für die Erprobung zur Verfügung. Bei vielversprechenden Ergebnissen können auf Grundlage der entwickelten Kompetenzen zur Simulation, Fertigung und Charakterisierung solcher Emitter, kunden- und applikationsspezifische Chip-Formate entwickelt und in die Serienreife überführt werden. Das CiS Forschungsinstitut steht dafür als Partner für weiterführende Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Rahmen von Förderprojekten oder im direkten Kundenauftrag zur Verfügung.
