Ontwikkelaars van dunne laag gas sensoren profiteren van verwarmde substraatplatforms

Foto eines Testsubstrats mit Heizstruktur vom Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Foto eines Testsubstrats mit Heizstruktur vom Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Voorbeeld-warmtebeeldopname van een verwarmd testsubstraat dat wordt vastgehouden door een vacuümzuignap van Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Voorbeeld warmtebeeld van een verwarmd testsubstraat dat wordt vastgehouden door een vacuümzuignap van Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Foto van testsubstraten, links een met verwarmingsstructuur, vergeleken in grootte met een eurocent. © Fraunhofer IPMS / Foto van testsubstraat, links met verwarmingsstructuur, vergeleken in grootte met een eurocent. © Fraunhofer IPMS

Het Fraunhofer-Institut voor Fotonische Mikrosystemen IPMS ontwikkelt en produceert op maat gemaakte verwarmbare testchips voor de karakterisering van nieuwe materialen voor gasdetectie. Op deze chips afgelegde sensorlagen en hun toepassingsspecifieke parameters, zoals gevoeligheid en selectiviteit, kunnen hiermee gericht worden onderzocht. Op maat gemaakte chip-ontwerpen maken de optimale en zeer nauwkeurige karakterisering van deze dunne lagen mogelijk.

De detectie van gassen zoals bijvoorbeeld NO2, NH3, CO, H2S of vluchtige organische verbindingen (VOC) zoals aceton, formaldehyde en methanol is van groot belang voor de beoordeling van mogelijke gezondheidsrisico's.

Gasdetectors op basis van enkelcomponent-metallooxiden en materialen op koolstofbasis ondervinden momenteel nog beperkingen, zoals lage gevoeligheid in het lagere ppm- en ppb-bereik en beperkte levensduur, waardoor hun brede toepassing als high-performance gasdetectors wordt belemmerd. Daarom zijn verdere ontwikkelingen noodzakelijk om elektrische en thermische eigenschappen te combineren met hoge gevoeligheid, snelle respons, hoge selectiviteit en snelle herhaalbaarheid.

In het kader van dergelijke ontwikkelingen speelt de karakterisering van gevoelige lagen een cruciale rol om de gebruikte materialen gericht te kunnen produceren en inzetten. Het Fraunhofer IPMS ontwikkelt en produceert voor de evaluatie van nieuwe materialen geleidbaarheid- en enkel-transistorstructuren. Deze substraten kunnen worden gebruikt voor de karakterisering van elektrische materiaaleigenschappen van dunne laag-gasdetectors. Daarnaast kunnen deze substraten ook dienen als basis voor verdere productontwikkelingen.

»Gasdetectors moeten vaak onder bepaalde temperaturen worden bedreven. Onze substraten maken het mogelijk om de laagtemperatuur gericht in te stellen, waardoor materialen eenvoudig en effectief kunnen worden onderzocht. Dit omvat ook het onderzoeken van de stabiliteit en drift over verschillende tijdsperioden. Bovendien kan het gedrag tijdens processen al worden onderzocht tijdens de afzetting van de laag. Om de technologie verder op maat te ontwikkelen, zoeken wij partners en kunnen wij ook vooraf ontworpen chips voor metingen beschikbaar stellen«, legt Dr. Alexander Graf, hoofd van de groep Gas Sensors and Systems, uit.

Voordelen van de substraten van het Fraunhofer IPMS

De door het Fraunhofer IPMS geproduceerde chip-ondergronden bieden zeer nauwkeurige structuren en krachtige materialen, waardoor ze een veelbelovende basis vormen voor reproduceerbare materiaalevaluaties binnen R&D-vraagstukken en kwalificaties. De substraten maken het gebruik van klantspecifieke ontwerpen mogelijk. Elektrode-structuren, bijvoorbeeld met verschillende kanaalbreedtes en -lengtes, kunnen op een chip worden aangebracht, zodat toepassing-specifiek de ideale parameters kunnen worden gebruikt.

De productie vindt regulier plaats in de cleanroom op siliciumwafers met thermisch siliciumdioxide (SiO2), waarbij ook andere oxiden zoals hafniumdioxide (HfO2) als diëlektricum beschikbaar zijn. Bij de sensorontwikkeling bepalen de gevoelige materialen de prestaties van de gehele sensor. Materialen- en procesontwikkelaars kunnen halfgeleiderlagen uit een oplossing en via chemische (CVD) of fysische (PVD) gasfasenafzettingsmethoden op de substraten aanbrengen. De daaropvolgende elektrische karakterisering maakt het mogelijk om karakteristieken te meten en te beoordelen op basis van geleidbaarheid, ladingdragerbeweging en andere prestatieparameters. Zodra een gasgevoelig materiaal in contact komt met de analyte, leidt dit tot veranderingen in de elektrische eigenschappen.

De substraten van het Fraunhofer IPMS bieden een eenvoudige manier om deze te meten. Hiermee kunnen de sensormaterialen bijvoorbeeld worden beoordeeld op gevoeligheid en drift en vervolgens worden geoptimaliseerd, bijvoorbeeld door aanpassing van de afzetparameters. Door de productie-technologie op wafelniveau vormen de substraten ook een interessante basis voor een productgerichte ontwikkeling.

Met de speciaal ontwikkelde probe kunnen de teststructuren eenvoudig worden aangesloten en gemeten.