Ziel der Entwicklung
Ein gängiges Verfahren für die Detektion von Gasen besteht in der nicht-dispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR). Dieses Verfahren beruht darauf, dass das zu untersuchende Gas in einen abgeschlossenen Raum geleitet und mit infraroter Strahlung durchstrahlt wird. Tritt ein zu detektierendes Gas, mit Absorptionen bei spezifischen Wellenlängen, in die Kammer, so wird Infrarotstrahlung absorbiert und die Abschwächung, die mit der Gaskonzentration korreliert, detektiert. Das Aussenden der infraroten Strahlung kann mittels eines MEMS Infrarotemitters geschehen. Für die Detektion der Strahlung können Thermopiles eingesetzt werden. Die Strahlungsintensität nimmt exponentiell mit der Weglänge des Lichtes in der Kammer und der Konzentration des Gases ab. Ein Vergleich mit einer Referenz ermöglicht es, die Gaskonzentration zu bestimmen.
Durch eine multispektrale Infrarot-Detektion kann ein Gemisch aus mehreren Gasen analysiert werden. Dazu werden mehrere schmalbandige Detektoren verwendet, wobei die Filterung des Wellenlängenbereiches durch optische Filter oder selektive Absorber auf dem Thermopile-Chip realisiert werden kann. Die Selektion erfolgt durch Anpassungen von Dicke und Abfolge der Beschichtungsebenen in den eingebauten Filtern.
Eine Beschichtung der Thermopiles mit Kohlenstoffnanoröhren soll zu einer Erhöhung der Absorption der IR-Strahlung und somit zu einem höheren Ausgangssignal führen, was eine höhere Genauigkeit für kleine Gaskonzentrationen und eine Messbereichserweiterung ermöglicht.
Das Schichtsystem ist bei einfachen Thermopiles oder Strahlern meist nicht optisch dicht, sodass Interferenzeffekte innerhalb des Schichtsystems auftreten können und der Oberflächenemissionsgrad, welcher dem Oberflächenabsorptionsgrad entspricht, im mittleren IR-Spektralbereich klein ist.
Eine Erhöhung der optischen Absorption wird nach dem Stand der Technik durch eine zusätzliche Schicht erreicht.
In diesem Projekt wurden Kohlenstoffnanoröhren evaluiert und angewendet, die in einem oder mehreren möglichst kostengünstigen Prozessschritten in die Fertigung der Thermopiles integriert wurden und diese zusätzliche Absorberschicht bilden.
Durch die Verwendung der Kohlenstoffnanoröhren wird im gesamten IR-Spektralbereich die Absorption erhöht. Dies macht sich vor allem im mittleren IR-Spektralbereich bemerkbar.
Vorteile und Lösungen
Ziel war es, mit einer möglichst dünnen Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren eine möglichst große Absorption zu erreichen. Durch die erhöhte Absorption erhöht sich der Wärmeeintrag in den beschichteten Teil des Chips. Die absorptionsverbessernde Kohlenstoffnanoröhrenschicht wurde gezielt nur in der Mitte der Membran aufgewachsen, da Thermopiles die Temperaturdifferenz zwischen der Membranmitte und dem Chiprand für das Messprinzip ausnutzen und ein größerer Temperaturunterschied dieser Bereiche zu einem größeren Signal führt. Für den Aufwachsprozess der Kohlenstoffnanoröhren musste in der Membranmitte eine Heizerstruktur eingebettet werden. Im Projekt konnte ermittelt werden, dass für den Aufwachsprozess eine Heizerstruktur aus polykristallinem Silizium geeignet ist, welches bereits in anderen Strukturen des Chips Verwendung findet. Somit entsteht bei der Herstellungstechnologie kein grundsätzlich erhöhter Aufwand.
Während des gesamten Prozesses wurde darauf geachtet, dass die Thermoschenkel des Thermopiles, welche die entscheidenden Strukturen für die Entstehung des Signals sind, keinen Temperaturen über 200°C ausgesetzt waren, da bei dieser Temperatur eine Zerstörung der Thermoschenkel auftreten kann.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Endanwender sind auf zahlreiche Branchen verteilt. Das Projekt verfolgte die Entwicklung neuartiger IR-Detektoren, welche in NDIR-Sensoren eingesetzt werden können. Solche Sensorsysteme werden für die Messung von Konzentrationen in Gasen und Flüssigkeiten genutzt, was z.B. in der Medizintechnik, der Umweltsensorik, Gebäudeautomation, bei Prozessmesstechnik oder der Landwirtschaft vielfältig genutzt wird.
Zur Zielgruppe der Transferarbeit zählen insbesondere Sensorsystem- und Systemkomponentenhersteller aus der Industrie, die mit ihren Produkten und Lösungen in diesen Branchen aktiv sind. Das CiS Forschungsinstitut ist auf Grundlage der Projektergebnisse in der Lage, kunden- und applikationsspezifische Thermopile-Bauelemente für solche Partner zu entwickeln und nach erfolgreicher Initialisierung auch in Kleinserie zu fertigen. Die gemeinsame Weiterentwicklung oder Übertragung der Projektergebnisse auf andere Anwendungen können ggf. auch im Rahmen gemeinsamer Kooperationsprojekte vorangetrieben werden.
