Photoakustische Sensoren (PAS) können Gase im Konzentrationsbereich von wenigen ppm hochempfindlich und selektiv nachweisen. Bereits 1880 wurde der photoakustische Effekt von Alexander Graham Bell entdeckt, welcher allgemein die Umwandlung von Lichtenergie in akustische Energie beschreibt und kann mittels Mikrophon detektiert werden. Eingesetzt werden diese photakustischen Gassensoren vielfach in der Prozesskontrolle, Lebensmittelindustrie und Medizin. Durch die Fortschritte in der Fertigung von mikromechanischen Systemen (MEMS) werden kostengünstige Herstellungsverfahren und eine weitere Miniaturisierung der Systeme und Komponenten möglich.
Im Mittelpunkt des abgeschlossenen Forschungsprojekts PAS stand die Entwicklung einer piezoresistiven Mikrofonkomponente auf Basis von MEMS für hoch integrierte photoakustische Gassensoren. Mittels eines Multi-Layout-Ansatzes wurden Mikrofonchips mit einer sehr empfindlichen piezoresistiven Messbrücke entwickelt. Einige Varianten sind zum Wafer-Level-Packaging geeignet. Herausfordernd war die Realisierung der der 2 µm dicken Biegeplatte mit den partiell freigestellten Rändern. Mit dem selbst entwickelten Zweikammersystem konnten nach Verstärkung, Empfindlichkeiten von 0,26 µV/(ppm CO2), 0,006 µV/(ppm N2O), 0,005 µV/(ppm H2O) bestimmt werden. Der Sensor ist für einen Einsatzbereich von -40⁰C bis 140⁰C geeignet. Anwendungen liegen Bereich des Klima- und Umweltschutzes zur Verbesserung des Energiemanagements, der Prüfung der Luftqualität oder in der Medizintechnik als hochsensitive Atemgas-Sensoren. Aufgrund der waferbasierten Herstellung und der angestrebten Miniaturisierung besteht weiteres Potential für eine Fertigung der kundenspezifischen Sensorelemente auch in höheren Stückzahlen zu attraktiven Kosten.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Photoakustischer Gassensor mit Referenzgassensor“ (PAS) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Förderkennzeichen: MF200114