Los desarrolladores de sensores de gas de capa fina se benefician de plataformas de sustrato calefactadas

Foto de un sustrato de prueba con estructura de calefacción del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Foto de un sustrato de prueba con estructura de calefacción del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Ejemplo de imagen térmica de un sustrato de prueba calentado sostenido por una ventosa de vacío del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Example thermal image of a heated test substrate held by a vacuum suction cup from Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Foto de sustratos de prueba, a la izquierda uno con estructura de calefacción, en comparación de tamaño con una moneda de euro. © Fraunhofer IPMS / Foto de sustrato de prueba, a la izquierda con estructura de calefacción, comparado en tamaño con una moneda de euro. © Fraunhofer IPMS

El Instituto Fraunhofer para Microsistemas Ópticos y Fotónicos IPMS desarrolla y fabrica chips de prueba personalizables y calefactables para la caracterización de nuevos materiales en la detección de gases. Sobre estos, se pueden depositar capas sensoriales y sus parámetros específicos de aplicación, como sensibilidad y selectividad, para su estudio dirigido. Los diseños de chips fabricados a medida permiten la caracterización óptima y de alta precisión de estas capas delgadas.

La detección de gases como NO2, NH3, CO, H2S o compuestos orgánicos volátiles (COV) como acetona, formaldehído y metanol es de gran importancia para evaluar un posible riesgo para la salud.

Los sensores de gas basados en componentes individuales de óxidos metálicos y materiales a base de carbono todavía enfrentan limitaciones, como sensibilidad reducida en rangos bajos de ppm y ppb, y vida útil limitada, lo que impide su uso generalizado como sensores de gas de alto rendimiento. Por ello, son necesarias desarrollos adicionales para lograr propiedades eléctricas y térmicas combinadas con alta sensibilidad, respuesta rápida, alta selectividad y repetibilidad rápida.

En el marco de tales desarrollos, la caracterización de capas sensibles juega un papel decisivo para poder fabricar y utilizar los materiales utilizados de manera dirigida. El Fraunhofer IPMS desarrolla y fabrica estructuras de conductividad y transistores individuales para la evaluación de materiales novedosos. Estas sustratos pueden ser utilizados para la caracterización de propiedades eléctricas de sensores de gas de película delgada. Además, estos sustratos también pueden servir como base para desarrollos de productos posteriores.

Ventajas de los sustratos del Fraunhofer IPMS

Los sustratos de chips fabricados en el Fraunhofer IPMS ofrecen estructuras de alta precisión y materiales de alto rendimiento, proporcionando una base prometedora para la evaluación reproducible de materiales en el marco de investigaciones y desarrollo, así como en la calificación. Los sustratos permiten el uso de diseños personalizados. Se pueden aplicar estructuras de electrodos, por ejemplo, con diferentes anchos y longitudes de canal, en un solo chip, permitiendo utilizar los parámetros ideales según la aplicación.

Su fabricación se realiza de forma regular en salas limpias sobre obleas de silicio con óxido de silicio térmico (SiO2), y también están disponibles otros óxidos como el dióxido de hafnio (HfO2) como dieléctrico. En el desarrollo de sensores, los materiales sensibles determinan el rendimiento de todo el sensor. Los desarrolladores de materiales y procesos pueden aplicar capas semiconductoras desde una solución, así como mediante procesos de deposición en fase gaseosa química (CVD) o física (PVD) sobre los sustratos. La caracterización eléctrica posterior permite registrar curvas características y evaluarlas en función de la conductividad, movilidad de portadores de carga y otros parámetros de rendimiento. Cuando un material sensible al gas entra en contacto con el analito, esto provoca cambios en sus propiedades eléctricas.

Los sustratos del Fraunhofer IPMS ofrecen una forma sencilla de registrar estos cambios. De este modo, los materiales sensoriales pueden evaluarse, por ejemplo, en términos de sensibilidad y deriva, y posteriormente optimizarse, por ejemplo, ajustando los parámetros de deposición. Gracias a la tecnología de fabricación a nivel de oblea, los sustratos también constituyen una base interesante para el desarrollo orientado a productos.

Con el probador desarrollado específicamente, las estructuras de prueba pueden ser contactadas y medidas de forma sencilla.