Vývojáři senzorů tenkých vrstev plynu profitují z vyhřívané substrátové platformy

Fotografie testovacího substrátu s topografií vytápění od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Fotografie testovacího substrátu s topografií vytápění od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Beispiel-Wärmebildaufnahme eines per Vakuumsauger gehaltenen beheizten Testsubstrats des Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Beispielhafte Wärmebildaufnahme eines beheizten Testsubstrats, das von einem Vakuumsauger gehalten wird, vom Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Fotografie testovacích substrátů, vlevo s topnou strukturou, v porovnání velikosti s euromincí. © Fraunhofer IPMS / Foto testovacího substrátu, vlevo s topnou strukturou, ve srovnání velikosti s euromincí. © Fraunhofer IPMS

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS vyvíjí a vyrábí individuální vyhřívané testovací čipy pro charakterizaci nových materiálů v oblasti plynové senzoringu. Na něm mohou být odkládány senzitivní vrstvy a jejich aplikačně specifické parametry, jako je citlivost a selektivita, a tímto způsobem je možné je cíleně zkoumat. Individuálně vyráběné návrhy čipů umožňují optimální a vysoce přesnou charakterizaci těchto tenkých vrstev.

Detekce plynů, jako jsou například NO2, NH3, CO, H2S nebo těkavé organické sloučeniny (VOC) jako aceton, formaldehyd a methanol, je velmi důležitá pro posouzení možného zdravotního rizika.

Plynové senzory založené na jednotlivých komponentách oxidu kovu a materiálech na uhlíkové bázi zatím trpí určitými omezeními, například nízkou citlivostí v nižších ppm a ppb rozsazích a omezenou životností, což brání jejich širokému použití jako vysoce výkonných plynových senzorů. Proto jsou nutné další vývojové kroky k dosažení elektrických a tepelných vlastností ve spojení s vysokou citlivostí, rychlou odezvou, vysokou selektivitou a rychlou opakovatelností.

V rámci takového vývoje hraje charakterizace citlivých vrstev klíčovou roli, aby bylo možné cíleně vyrábět a používat použité materiály. Fraunhofer IPMS vyvíjí a vyrábí pro hodnocení nových materiálů vodivostní a jednotlivé tranzistorové struktury. Tyto substráty lze využít pro charakterizaci elektrických vlastností materiálů tenkých vrstev plynových senzorů. Kromě toho lze tyto substráty využít i jako základ pro další vývoj produktů.

„Často je třeba plynové senzory provozovat při stanovených teplotách. Naše substráty umožňují cílené nastavení teploty vrstvy, což usnadňuje a zpřesňuje zkoumání materiálů. To zahrnuje také zkoumání stability a driftu v různých časových úsecích. Navíc lze chování během procesu odkládání vrstvy zkoumat již při výrobě. Abychom mohli technologii dále individuálně rozvíjet, hledáme partnery a můžeme také poskytnout předem navržené čipy pro měření,“ vysvětluje Dr. Alexander Graf, vedoucí skupiny Gas Sensors and Systems.

Výhody substrátů Fraunhofer IPMS

Čipy vyrobené v Fraunhofer IPMS nabízejí vysoce přesné struktury a výkonné materiály, což představuje slibný základ pro reprodukovatelné hodnocení materiálů v rámci výzkumu a vývoje a kvalifikace. Tyto substráty umožňují použití zákaznických návrhů. Elektrody, například různé kanálové šířky a délky, lze nanést na jeden čip, takže je možné využít ideální parametry podle konkrétní aplikace.

Výroba probíhá standardně v čistém prostředí na křemíkových waferech s tepelným oxidem křemíku (SiO2), přičemž jsou k dispozici i další oxidy, například hafniumoxid (HfO2) jako dielektrikum. Při vývoji senzorů určují výkonnost celého senzoru senzitivní materiály. Vývojáři materiálů a procesů mohou nanášet polovodičové vrstvy z roztoku nebo pomocí chemických (CVD) či fyzikálních (PVD) metod depozice z plynné fáze na substráty. Následující elektrická charakterizace umožňuje zaznamenávat charakteristiky a hodnotit je na základě vodivosti, pohyblivosti nosičů náboje a dalších výkonových parametrů. Jakmile se senzitivní materiál dostane do kontaktu s analytem, dojde ke změně elektrických vlastností.

Substráty Fraunhofer IPMS nabízejí jednoduchou možnost jejich zachycení. Díky tomu je možné například hodnotit senzitivitu a drift senzorových materiálů a následně je optimalizovat například úpravou parametrů depozice. Díky výrobní technologii na waferové úrovni představují tyto substráty také zajímavý základ pro produktově orientovaný vývoj.

S vlastním vyvinutým testovacím přístrojem lze testovací struktury snadno kontaktovat a měřit.