ELMINA - Künstliche Nase

Modell eines gehäusten MOX-Gassensorchip ohne Schutzkappe

Foto eines gehäusten MOX-Gassensorchip ohne Schutzkappe

Variante eines SAW-Mikroarrays mit 8 SAW-Resonatoren. Die elektrische Ankopplung erfolgt hier mittels Drahtbonden.

Gassensoren werden zur Bewertung der Luftqualität seit ca. 20 Jahren kommerziell eingesetzt. Man findet sie beispielsweise in automatisch geregelten Dunstabzugshauben, in Feuermeldersystemen und in Lüftungsklappensteuerungen von Kraftfahrzeugen, aber auch komplexe Produktionsanlagen werden mittels Gassensoren überwacht und gesteuert.

Das Institut für Instrumentelle Analytik des Forschungszentrums hat im Rahmen des Projektes Mikrosystemtechnik zwei Gassensor-Typen entwickelt. Ein Sensortyp basiert auf der Auswertung des Widerstandes metalloxidischer Schichten (MOX) auf einem beheizten Substrat (Silizium oder Keramik), der andere wertet Frequenzänderungen von polymerbeschichteten SAW (Surface-Acoustic-Wave) Sensoren aus.

Die Aufgaben des IPE bestehen zum einen in der Entwicklung einer Aufbau- und Verbindungstechnik, die eine miniaturisierte Kleinsereinfertigung von Metalloxid-Gassensor-Arrays sowie SAW-Mini-Arrays erlaubt. Darüberhinaus wird die Auswerteelektronik für beide Systeme entwickelt und zu einem Gerät zusammengeführt, so dass beide Sensortypen gemeinsam ausgewertet werden können. Die Sensortypen ergänzen sich in der Gasselektivität und Sensitivität. Die Verarbeitung und Analyse der Sensorsignale erfolgt mit KANGAROO, einem Softwaretool, das in der Softwaregruppe des IPE entwickelt wird.

Aufbau- und Verbindungstechnik für Gassensoren

Die Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik für Metalloxid-Sensorarrays sind äußerst hoch, da dieser Sensortyp bei Temperaturen um die 300°C betrieben wird und direkt aggressiven Gasen ausgesetzt ist. Die für den Aufbau verwendeten Materialien müssen langzeitstabil den hohen Temperaturen und dem direkten Kontakt zum Analyten widerstehen. Darüber hinaus muss die Materialauswahl derart erfolgen, dass keine Vermischung der Materialien auftritt, insbesondere die Verunreinigung der Metalloxid-Schicht durch Diffusionseffekte ist zu vermeiden. Das IPE hat einen Chipträger auf keramischer Basis entwickelt, der vollautomatisch verarbeitbar als SMD-Bauteil den Projektpartnern zur Verfügung gestellt werden kann. Der Fertigungsprozess ist bis zum Aufbringen der Schutzkappe vollautomatisiert. Die gehäusten Chips lassen sich in Kleinserie aufbauen.

Der Aufbau- und Verbindungsprozess für die SAW-Mikroarrays ist ebenfalls automatisiert, so dass auch die SAW-Mikroarrays in Kleinserie hergestellt werden können. Das weiterentwickelte Aufbaukonzept ersetzt den Drahtbondprozess durch eine direkte kapazitive Kopplung des in Flip-Chip Technik aufgebrachten Chips.

Ansprechpartner

Thomas Blank, blank@ipe.fzk.de, Tel.: +49 7247 82-5618