Motivation

Aufgrund der steigenden Sensibilisierung der Bevölkerung für Luftqualitätsparameter in verschiedensten Anwendungsbereichen rückt die Umweltsensorik immer mehr in den Fokus der Gesellschaft. Durch sein erforschtes Materialsystem erlangt PaSiC das Potential, die photoakustische und optische Gassensorik im Sinne des Form- und Kostenfaktors zu revolutionieren.

Zudem ermöglicht die Technologie der integrierten optischen Komponenten den Einsatz in völlig neuen Anwendungsfeldern und damit neuartiger Sensorik in vielen gesellschaftlichen Bereichen. Zudem wird die Herstellung qualitativ hochwertiger, miniaturisierten und kostengünstiger Packages ermöglicht, welche eine Alternative zu den etablierten Technologien darstellen.

Ziele und Vorgehen

Das Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung der Silicium-Keramik-Sinterverbund-Technologie (SiCer) zu einer industriell breit anwendbaren Technologieplattform zur Realisierung robuster und miniaturisierter IR-Komponenten (IR-Strahlungsquellen und Detektoren) sowie neuartiger kosteneffizienter Sensoren auf Basis photoakustischer und optischer Prinzipien. Das Forschungsvorhaben adressiert die Kombination des anorganischen Nichtmetalls LTCC-Keramik mit dem Halbmetall Silicium für einen gasdichten Verbund ohne bleibende organische Hilfsstoffe. Die gemeinsame Sinterung von Silicium und Glaskeramik ist ein zentrales Alleinstellungs­merkmal. Das resultierende SiCer-Hybridsubstrat kann – mit ange­passten Dünnfilm-Prozessen – weiterverarbeitet werden. Das Silicium steht damit für MEMS-Prozesse zur Verfügung, während die LTCC-Keramik als Träger weiterer Funktionen (z. B. Fluidik), als Umverdrahtungsebene und Gehäuse genutzt werden kann. Damit bietet das Hybridsubstrat einerseits ideale Voraussetzungen zur Realisierung optischer Sensorelemente direkt im Silicium-Wafer, andererseits gestattet die Nutzung der LTCC-Keramik als Verdrahtungs­ebene aber auch die klassische Hybridintegration weiterer Sensor- und Elektronikkomponenten. Die im Projekt vorgesehene Anhebung des TRL (von TRL 4 auf 5-6) ist essenziell zur Erschließung des Marktzugangs für miniaturisierte photoakustische Gassensoren. Sie bietet unter anderem einen gasdichten Verschluss, kleine Formfaktoren und die Möglichkeit der Herstellung in großen Stückzahlen. Durch die Vermeidung organischer Fügekomponenten kann die Zuverlässigkeit auf ein Niveau angehoben werden, welches u.a. den Qualitätsanforderungen der Automobilbranche entspricht.

Mit den im Projekt erarbeiteten Prozessen und Demonstratoren lassen sich folgende Hauptvorteile erzielen:

• Fertigung von Gas-Sensoren mit sehr kleinem Formfaktor, in hohen Stückzahlen und damit Zugang zu neuen Anwendungsgebieten (z.B. Raumüberwachung mit geringem Montageaufwand)
• Fertigung von Gas-Sensoren mit hoher Zuverlässigkeit und damit deren Einsatz z.B. in der Automobilindustrie
• Waferlevel-Packages, welches erstmalig MEMS-Applikationen mit hermetisch dichten Gehäusen ermöglicht

Innovationen und Perspektiven

Das in PaSiC erforschte Hybridsubstrat bietet einerseits ideale Voraussetzungen zur Realisierung optischer Sensorelemente direkt im Silicium-Wafer, andererseits gestattet es die Nutzung der LTCC-Keramik als Verdrahtungs­ebene aber auch die klassische Hybridintegration weiterer Sensor- und Elektronikkomponenten. Insgesamt gesehen ermöglicht die neue Package-Technologie damit die Fertigung von Gas-Sensoren mit hoher Zuverlässigkeit und damit deren Einsatz z.B. auch in der Automobilindustrie.

Zusammenarbeit im Konsortium