Norman Laske & Amit Kulkarni

Technologien für miniaturisierte Infrarot-Sensorsysteme

Berührungslos Temperaturen messen: Infrarot-Wärmesensoren ermöglichen dies, indem sie die Wärmestrahlung eines Objektes in eine elektrische Spannung umwandeln. Im BMBF-geförderten Projekt „Miniaturisierte Infrarot-Sensorsysteme“ (MIRS) hat das Fraunhofer ISIT mit seinen Partnern neue Technologien entwickelt, die hochwertige Sensorik für die Massenfertigung erschwinglich machen. Anwendungsfelder sind beispielsweise Spot-Thermometer zum Fiebermessen per Smartphone, kostengünstige In-Ohr Thermometer oder Sensoren zur Personendetektion.

5000 Silizium-Linsen auf einem Kappenwafer – ein neuer Integrationsprozess sorgt für die präzise und schnelle Montage.
Nur 2 Quadratmillimeter klein sind die Chips für die IR-Wärmesensoren. Auf die prozessierten CMOS-Wafer wurden am ISIT noch 5 weitere Lithografien für pyroelektrische Sensoren aus AlScN gesetzt.
Nahansicht auf die Silizium-Linsen.

Wafer-Level Package mit IR-Optik

Schlüssel für die günstige Fertigung ist die vollständige Systemintegration bereits auf dem Siliziumwafer, der die Sensorkomponente mit ihrer Elektronik enthält. Über 5000 Mikrochips befinden sich auf einem 200mm CMOS-Wafer. Jeder dieser 2 mm² kleinen Chips wird am ISIT mit einer Silizium-Linse ausgestattet, so dass die einfallende Wärmestrahlung auf das Detektorelement gebündelt wird. Unser Videofilm zeigt, wie wir unsere Linsen aus vorgeformten Siliziumkugeln herstellen. Als Teil des Wafer-Level Packages werden alle 5000 Linsen in einem Arbeitsschritt präzise über dem Sensor positioniert und mit dem Chip hermetisch dicht gebondet. Ein geeignetes Fügeverfahren auf Basis von Aluminium und Germanium wurde vom ISIT im BMBF Projekt „WIN-IT“ speziell für CMOS-Wafer entwickelt und in MIRS vom Projektpartner X-FAB für die Fertigung qualifiziert. Durch die Verwendung von Titan als optische Apertur werden freie Gasmoleküle gebunden. Der dauerhaft niedrige Innendruck ermöglicht eine zwei Mal höhere Empfindlichkeit des Sensors.

 

Post-CMOS Prozess für pyroelektrische Sensorik

Für die Arbeit in MIRS wurden vom Projektkoordinator Melexis funktionale CMOS-Wafer mit Thermopile-Sensoren bereitgestellt. In einer experimentellen Studie hat das ISIT auf den vorhandenen Strukturen in fünf Lithografie-Ebenen einen pyroelektrischen Sensor aufgebaut, der über die integrierten Verstärkerschaltkreise digital ausgelesen werden konnte. Das aktive Material war Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN) (S. Bröker et al., MikroSystemTechnik Kongress 2019), ein piezoelektrischer Werkstoff, der in Zusammenarbeit mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) bereits seit einigen Jahren für den Einsatz in Aktuatoren und Sensoren qualifiziert wird. Sensorstrukturen und Material wurden vom Partner aixACCT mit einem eigens entwickelten und inzwischen kommerzialisierten Messgerät charakterisiert. Dabei konnte das pyroelektrische Verhalten auf die piezoelektrischen Eigenschaften des Materials zurückgeführt werden.

 

Die MIRS-Projektergebnisse tragen bedeutend zur Industrialisierung der Infrarot-Wärmesensorik durch die Partner bei, sind aber darüber hinaus auch für andere Einsatzgebiete interessant.