Photoakustische Gassensoren auf Basis von Wafer-Level-Packaging


22.04.2021

Photoakustische Sensoren sind hochselektiv und empfindlich. Sie beruhen auf dem photoakustischen Effekt, der die Umwandlung von Lichtenergie in akustische Energie beschreibt. Bedingt durch die neuen Klimaschutzziele wird die Entwicklung von hochempfindlichen Gassensoren stark beschleunigt. Bisherige Anwendungen konzentrierten sich vorwiegend auf Sensorik für Kältemittel zur Messung von Kohlenstoffdioxid und Stickoxiden. Zunehmend werden mit diesem Sensoren auch andere Gase erfasst wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Methan, Ammoniak oder Ethylen. So wird Ethylen, eine gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung, durch Obst und Gemüse abgegeben. Je höher die Menge, desto reifer die Früchte. Mit einem entsprechenden Gassensor kann der Anbau von Beginn bis zur Ernte optimal überwacht werden. Eine weitere Applikation für solche Sensoren ist die Detektion von Gaslecks bei Pipelines und in der Industrie.

Das CiS Forschungsinstitut startet die Entwicklung mit einem integriert herstellbaren photoakustischen Gassensors. Im speziellen Fall wird eine hermetisch dichte Kammer vollständig mit einem Referenzgas gefüllt. Dieses Referenzgas entspricht dem zu messenden Gas. Pulsierende optische Strahlung erzeugt niederfrequenten Schall in der Kammer. Auf dem Weg in die Kammer wird die optische Strahlung durch das zu messende Gas geleitet. Je höher diese Konzentration desto geringer ist die Schallleistung. Diese Änderung der Schallleistung wird mittels photoakustischem Gassensor erfasst und interpretiert.
Im Vordergrund des Forschungsprojekts steht die Entwicklung von piezoresistiven Mikrofonkomponente unter den Randprämissen wie hohe Empfindlichkeit, die Eignung zum Wafer-Level-Packaging, die Fähigkeit zum Silizium-Direkt-Bonden sowie ein Einsatztemperaturbereich von -40⁰C bis 140⁰C.

Besonderer Vorteil liegt in der Füllung mit verschieden Referenzgasen für unterschiedliche Anwendungen. Optische Filter, welche üblich für NDIR-Sensoren sind, werden  überflüssig. Hierauf beruht auch das Miniaturisierungspotential des System-Ansatzes.

Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Photoakustischer Gassensor mit Referenzgassensor“ (PAS), durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Förderkennzeichen: MF200114