Neues Verfahren zur Herstellung miniaturisierter InfraRot-Emitter-Chips (MIREC)

10.07.2020

Im Zuge der zunehmenden Automatisierung und Digitalisierung nimmt der Bedarf an Sensoren für die Prozess- und Umgebungsüberwachung stetig zu. Ein besonders starkes Wachstum ist in der Gassensorik zu beobachten, z.B. zur Überwachung und Regelung von Belüftungssystemen oder in der Analyse von Prozessgasen. Die Mehrheit dieser Gase zeigen charakteristische Absorptionsbanden im nahen und mittleren Infrarotbereich, weshalb eine Vielzahl von Sensoren auf dem Absorptionsprinzip basieren.

Eine Möglichkeit die Herstellkosten deutlich zu senken, sind miniaturisierte Bauteile sowie vereinfachte Prozesse zur Vereinzelung der Chips aus dem Waferverbund. Mit der Entwicklung eines neuen plasmaunterstützten Ätz-Prozesses gelingt das gleichzeitige Erzeugen einer dünnen funktionalen Membran sowie eines Bruchgrabens zur späteren Vereinzelung der Chips durch Herausbrechen. Im Zuge der Miniaturisierung um mehr als Faktor 4 kleinere Flächen gegenüber dem Stand der Technik sowie der damit einhergehenden Reduzierung der thermischen Masse steigt auch die Dynamik der IR-Strahler um Faktor 2, was weitere technische Vorteile in der Anwendung in NDIR-Gassensoren liefert.

Nicht nur die Anforderungen an Aufbau- und Verbindungstechnik dieser MEMS-IR-Emittern wurden angepasst und weiterentwickelt. Ein zusätzlicher Rückseitenspiegel erhöht die optische Ausbeute.
Ausgehend von etablierten Verfahren für Bauteile mit Chipkantenlängen von mehreren Millimetern gelang eine drastische Miniaturisierung auf eine Chipgröße von 1 x 1 mm² und kleiner. Mit dem Übergang von nasschemischen Verfahren zu Plasmaätzverfahren wurden deutlich größere Aspektverhältnisse und eine höhere Dynamik erzielt. Zudem reduziert sich der Platzbedarf für die funktionalen Sensorgebiete. Insbesondere Hersteller im Bereich der Gassensorik profitieren durch die miniaturisierten Emitter, da dies eine weitere Miniaturisierung des Gesamtsystems zur Gasmessung ermöglicht.

Gassensoren agieren in vielen Marktsegmenten, beispielsweise in der Prozessmesstechnik zur Überwachung von Industrieprozessen, der Medizintechnik sowie Umweltsensorik, zum Beispiel in der Gebäudeüberwachung und/oder -Automation. In Verbraucherprodukten wie Heimgeräten und Smartphones erfassen Gassensoren die Luftqualität in Gebäuden, Fahrzeugen oder sicherheitsrelevante Anwendungen.