Gli sviluppatori di sensori di gas a strato sottile beneficiano di piattaforme con substrato riscaldato

Foto di un substrato di prova con struttura di riscaldamento del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Foto di un substrato di prova con struttura di riscaldamento del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Esempio di immagine termica di un substrato di prova riscaldato tenuto da una ventosa a vuoto 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 di substrati di prova, a sinistra uno con struttura riscaldante, confrontato in dimensioni con una moneta da un euro. © Fraunhofer IPMS / Photo of test substrate, left with heating structure, compared in size to a Euro cent coin. © Fraunhofer IPMS

Il Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS sviluppa e produce chip di prova personalizzati riscaldabili per la caratterizzazione di nuovi materiali per la gas-sensoristica. Su di essi vengono depositate strati sensoriali e i relativi parametri applicativi, come sensibilità e selettività, possono essere studiati miratamente. Design di chip personalizzabili consentono una caratterizzazione ottimale e altamente precisa di questi sottili strati.

La rilevazione di gas come NO2, NH3, CO, H2S o composti organici volatili (VOC) come acetone, formaldeide e metanolo è di grande importanza per la valutazione di un possibile rischio per la salute.

I sensori di gas basati su componenti singoli di ossidi metallici e materiali a base di carbonio soffrono attualmente di limitazioni, come ad esempio bassa sensibilità nelle zone di ppm e ppb e durata limitata, che impediscono il loro impiego come sensori di gas ad alte prestazioni. Per questo motivo sono necessari sviluppi ulteriori per ottenere proprietà elettriche e termiche in combinazione con alta sensibilità, risposta rapida, elevata selettività e ripetibilità veloce.

Nel contesto di tali sviluppi, la caratterizzazione di strati sensibili svolge un ruolo decisivo per poter produrre e impiegare materiali utilizzati in modo mirato. Il Fraunhofer IPMS sviluppa e produce strutture di conducibilità e transistor singoli per la valutazione di materiali innovativi. Questi substrati possono essere utilizzati per la caratterizzazione delle proprietà elettriche di sensori di gas a film sottile. Inoltre, tali substrati possono essere impiegati anche come base per ulteriori sviluppi di prodotto.

»Spesso i sensori di gas devono essere operati a temperature definite. I nostri substrati consentono di impostare in modo mirato la temperatura dello strato, facilitando l’indagine dei materiali in modo semplice ed efficace. Ciò include anche lo studio della stabilità e del drift nel tempo. Inoltre, il comportamento può essere analizzato già durante il processo di deposizione dello strato. Per sviluppare ulteriormente la tecnologia in modo personalizzato, cerchiamo partner e possiamo anche fornire chip pre-progettati per le misurazioni«, spiega il dottor Alexander Graf, responsabile del gruppo Gas Sensors and Systems.

Vantaggi dei substrati del Fraunhofer IPMS

I chip-giunti prodotti dal Fraunhofer IPMS offrono strutture di alta precisione e materiali performanti, fornendo così una base promettente per la valutazione riproducibile dei materiali nell’ambito di questioni di Ricerca e Sviluppo e qualificazione. I substrati consentono l’uso di design personalizzati. Strutture di elettrodi, ad esempio di diverse larghezze e lunghezze di canale, possono essere depositate su un singolo chip, permettendo di utilizzare i parametri ideali in modo specifico per l’applicazione.

La produzione avviene regolarmente in ambiente di sala bianca su wafer di silicio con ossido di silicio termico (SiO2), mentre altri ossidi come l’ossido di hafnio (HfO2) sono disponibili come dielettrici. Nello sviluppo dei sensori, i materiali sensibili determinano le prestazioni complessive del sensore. Gli sviluppatori di materiali e processi possono depositare strati semiconduttori da soluzioni o tramite processi di deposizione in fase gassosa chimica (CVD) o fisica (PVD) sui substrati. La caratterizzazione elettrica successiva permette di acquisire curve di caratteristica e di valutarle in base a conducibilità, mobilità dei portatori di carica e altri parametri di prestazione. Quando un materiale sensibile entra in contatto con l’analita, si verifica una modifica delle proprietà elettriche.

I substrati del Fraunhofer IPMS offrono un modo semplice per rilevarli. In questo modo, i materiali sensori possono essere valutati, ad esempio, in termini di sensibilità e drift, e successivamente ottimizzati, ad esempio, modificando i parametri di deposizione. Grazie alla tecnologia di produzione a livello di wafer, i substrati rappresentano anche una base interessante per uno sviluppo orientato al prodotto.

Con il prober sviluppato internamente, le strutture di prova possono essere facilmente contattate e misurate.