CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH


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Geförderte Projekte: 37


Nanostrukturierte strukturierte Systemfenster für Infrarotsensoren


Links: Reflektionsspektrum einer Multischicht aus porösem Silizium, eines distributed Bragg reflector (DBR) Rechts: REM-Aufnahme einer Multischicht
Links: Reflektionsspektrum einer Multischicht aus porösem Silizium, eines distributed Bragg reflector (DBR) Rechts: REM-Aufnahme einer Multischicht

Projektidee

Dieses Projekt zielt auf Infrarotsensoren, im Besonderen auf schmalbandige optische Filter oder wellenlängenselektive Spiegel, welche zur Integration mit einem Gehäuse geeignet sind. Infrarotsensoren messen die von einem Objekt abgestrahlte IR-Energie. Hierzu stehen eine Reihe von Messprinzipien zur Verfügung, unter anderem Detektoren auf Basis pyroelektrischer Kristalle, Thermistoren und Dünnschicht-Thermosäulen. Die Sensoren für IR-Strahlung sind überwiegend empfindlich auf die Strahlungsenergie und unempfindlich gegenüber der Wellenlänge. Dazu im Gegensatz basieren viele Messprinzipien auf einer wellenlängenselektiven Bewertung. Dies erfordert schmalbandige IR-Emitter oder IR-Filter. Die wesentlichen Bestandteile wellenlängenselektiver IR-Sensor sind demnach der schmalbandige Filter, ein hermetisch dichtes Gehäuse mit einem optischen Fenster und dem IR-Sensor nach den jeweiligem Funktionsprinzip. Als optisches Fenster kann z.B. Saphir, GaP oder auch Silizium verwendet werden. Als Filter werden sogenannte dielektrische Filter verwendet, die zur Gruppe der Interferenzfilter gehören. Sie bestehen aus einem Stapel von dünnen dielektrischen Schichten. Die Schichten werden so gewählt, dass sich eine Folge aus einen höherem und niedrigerem Brechungsindex ergibt. Der spektrale Transmissionsgrad einer einzelnen dielektrischen Schicht zeigt aufgrund von Interferenzen innerhalb der Schicht das Transmissionsverhalten eines Fabry-Pérot-Resonators. Durch die Stapelung bzw. Kombination verschiedener Schichten lassen sich spezielle Transmissionseigenschaften realisieren. Die Herstellung der Schichten erfordert viel Know-how, die Filter sind somit auch sehr teuer.
Neben Filterschichten werden auch Antireflexbeschichtungen benötigt, sie bestehen auch aus dielektrischen Schichten und erhöhen die Transmission durch die verminderte Reflektion.
Das Projektziel war die Endwicklung einer einfachen preiswerteren Technologie zur Herstellung dielektrischer Filter oder Spiegel. Als technologische Grundlage dient das poröse Silizium. Silizium ist transparent für IR-Strahlung und kann elektrochemisch porosiziert werden. Die Bilder zeigen das Ergebnis, links das Reflektionsspektrum eines dielektrischen Spiegels, ein „distributed Bragg reflector„ und eine REM Aufnahme der Multischicht.
Poröses Silizium ist somit ein idealer Werkstoff zur Herstellung optischer Schichten für IR-Anwendungen. Es besteht aus einer Siliziummatrix mit Luftporen, deren Größe und Struktur von der Substratdotierung und den Herstellungsparametern abhängig sind. Die Porosizierung findet durch einen elektrochemischen ätzprozess in verdünnter Flusssäure statt. Der Vorgang wird initiiert durch die Defektelektronen. Die Morphologie und der Bildungsprozess zwischen p-dotierten und n-dotierten unterscheidet sich deutlich. Während bei p-dotierten Substraten nano- und mesoporöses Silizium erzeugt wird, entsteht bei n-dotiertem nano- bzw. makroporöses Silizium. Gesteuert wird die Porosität über die Stromdichte. Die Tatsache, dass der ätzprozess nur an der Grenzfläche zwischen Flusssäure und nicht porösiziertem Substrat stattfindet, eröffnet vielfältige Anwendungen. Poröses Silizium kann als optische Schicht verwendet werden, wenn die geometrische Dimension der Hohlräume wesentlich kleiner ist als die verwendete Wellenlänge. In diesem Fall ergibt sich eine effektive Brechzahl neff aus Luft nLuft , Silizium nSi und Porosität PPS.

Kundennutzen

Durch die Integration der Funktionen: IR-Filter, Antireflexschicht, optisches Fenster und hermetischer Verschluss in die Kappe, verbunden mit einer elektrischen Durchführung zur Kontaktierung des Sensors, wird eine hohe Reduzierung der Produktionskosten erreicht. Darüber hinaus ist dies die Basis für eine weiterführende Miniaturisierung. Bei den breitbandigen IR-Emittern wird auf das IR-Filter verzichtet, der hermetische Verschluss erhöht dabei die Langzeitstabilität der Quelle, da sie vor Umwelteinflüssen geschützt ist.

Ausblick

Poröses Silizium kann für eine Reihe weiterer Anwendungen verwendet werden. Besonders interessant ist die Sensivität der Brechzahl auf änderung der Gaszusammensetzung. Durch die große Oberfläche kann durch Absorpion Sensivität noch erhöht werden und eine neue Generation optischer Sensoren entwickelt werden

Stand: 26.04.2013
Projektdaten aktualisiert: 05.12.2012

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