Programiści czujników gazu o cienkiej warstwie korzystają z podgrzewanej platformy substratowej

Zdjęcie próbnego podłoża z strukturą grzewczą od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Fotografia próbnego podłoża z strukturą grzewczą od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Przykładowa termowizyjna fotografia podgrzewanego próbnego podłoża trzymanego przez ssawkę próżniową z Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Example thermal image of a heated test substrate held by a vacuum suction cup from Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Zdjęcie podłoża testowego, po lewej z strukturą grzewczą, w porównaniu rozmiarowym do monety euro. © Fraunhofer IPMS / Photo of test substrate, left with heating structure, compared in size to a Euro cent coin. © Fraunhofer IPMS

Instytut Fraunhofer dla Mikrosystemów Fotonicznych IPMS opracowuje i produkuje indywidualne, podgrzewane testowe układy scalone do charakteryzacji nowych materiałów do sensorów gazów. Na nich osadzane są warstwy sensoryczne oraz ich parametry specyficzne dla zastosowania, takie jak czułość i selektywność, które można w ten sposób celowo badać. Indywidualnie konfigurowalne projekty układów scalonych pozwalają na optymalną i wysoce precyzyjną charakteryzację tych cienkich warstw.

Wykrywanie gazów takich jak NO2, NH3, CO, H2S czy lotne związki organiczne (VOC), takie jak aceton, formaldehyd i metanol, ma ogromne znaczenie dla oceny potencjalnego zagrożenia dla zdrowia.

Sensory gazów oparte na pojedynczych komponentach tlenków metali i materiałach na bazie węgla obecnie nadal cierpią na ograniczenia, takie jak niska czułość w zakresie niskich ppm i ppb oraz ograniczona żywotność, co uniemożliwia ich szerokie zastosowanie jako wysokowydajne sensory gazów. Dlatego konieczne są dalsze prace rozwojowe, aby uzyskać właściwości elektryczne i termiczne w połączeniu z wysoką czułością, szybkim czasem reakcji, wysoką selektywnością i szybką powtarzalnością.

W ramach takich prac rozwojowych kluczową rolę odgrywa charakteryzacja warstw sensorycznych, aby móc celowo produkować i wykorzystywać stosowane materiały. Instytut Fraunhofer IPMS opracowuje i produkuje struktury przewodnościowe i pojedyncze tranzystory do oceny nowatorskich materiałów. Te podłoża mogą być wykorzystywane do charakteryzacji parametrów elektrycznych cienkich warstw gazowych sensorów. Ponadto, mogą one również służyć jako podstawa dla dalszych rozwoju produktów.

»Często sensory gazów muszą być eksploatowane w określonych temperaturach. Nasze podłoża umożliwiają celowe ustawienie temperatury warstwy, co pozwala na prosty i skuteczny sposób badania materiałów. Dotyczy to także badania stabilności i dryfu w różnych okresach czasowych. Ponadto, można badać zachowanie w procesach już podczas osadzania warstw. Aby indywidualnie rozwijać technologię, poszukujemy partnerów i możemy również udostępnić wcześniej zaprojektowane układy do pomiarów», wyjaśnia dr Alexander Graf, kierownik grupy Czujniki i Systemy Gazowe.

Zalety podłoży Instytutu Fraunhofer IPMS

Podłoża układów scalonych produkowane w Instytucie Fraunhofer IPMS oferują wysoce precyzyjne struktury i wydajne materiały, co stanowi obiecującą podstawę do powtarzalnej oceny materiałów w ramach badań i rozwoju oraz kwalifikacji. Podłoża umożliwiają stosowanie niestandardowych projektów. Struktury elektrod, np. o różnych szerokościach i długościach kanałów, mogą być nanoszone na jednym układzie, co pozwala na wykorzystanie parametrów idealnych dla konkretnego zastosowania.

Produkcja odbywa się regularnie w czystym pomieszczeniu na waflach krzemowych z termicznym dwutlenkiem krzemu (SiO2), przy czym dostępne są również inne tlenki, takie jak dwutlenek hafnu (HfO2), jako dielektryki. W rozwoju sensorów materiały czułe decydują o wydajności całego czujnika. Twórcy materiałów i procesów mogą nanosować warstwy półprzewodnikowe z roztworu oraz za pomocą chemicznych (CVD) lub fizycznych (PVD) metod osadzania gazowego na podłożach. Następna charakterystyka elektryczna umożliwia odczyt charakterystyk i ocenę na podstawie przewodności, ruchliwości nośników ładunku i innych parametrów wydajności. Gdy materiał czuły na gazy wchodzi w kontakt z analytem, dochodzi do zmiany właściwości elektrycznych.

Podłoża Instytutu Fraunhofer IPMS oferują prosty sposób ich pomiaru. Dzięki temu można ocenić materiały sensoryczne np. pod kątem czułości i dryfu, a następnie, np. poprzez dostosowanie parametrów osadzania, zoptymalizować je. Dzięki technologii produkcji na poziomie wafli, podłoża stanowią również interesującą podstawę dla rozwoju ukierunkowanego na produkt.

Z własnym specjalnie opracowanym probierzem można łatwo kontaktować i mierzyć struktury testowe.