Fraunhofer FEP開發(fā)的通用微型氣體傳感器平臺(tái)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德國弗勞恩霍夫有機(jī)電子、電子束和等離子體技術(shù)研究所（Fraunhofer FEP）開發(fā)出基于硅上OLED（OLED-on-silicon）技術(shù)并具有最小芯片面積的微型磷光傳感器，由此產(chǎn)生的具有改進(jìn)薄膜封裝的通用氣體傳感器平臺(tái)將于近日在奧地利維也納舉行的IEEE Sensors 2023會(huì)議上亮相。

能夠確定環(huán)境中某些氣體濃度的傳感器具有廣泛的應(yīng)用。特別是用于確定氧氣濃度的氣體傳感器，已經(jīng)用于食品生產(chǎn)、測(cè)量水域或海洋中氧氣含量的環(huán)境監(jiān)測(cè)以及用于呼吸分析的醫(yī)療器械等。

僅氧氣傳感器這一類別而言，市場(chǎng)上大部分光學(xué)式氧氣傳感器都由于其分立的LED、濾光片以及探測(cè)器組件而難以小型化。直接集成在CMOS芯片上的超平面OLED光源克服了這些障礙，由于其易于使用且易于在現(xiàn)有系統(tǒng)中集成，因而成為極具吸引力的替代方案。

Fraunhofer FEP在開發(fā)和生產(chǎn)基于OLED-on-silicon技術(shù)的高集成度電光元件方面擁有多年的專業(yè)積累。除了實(shí)現(xiàn)各種OLED微型顯示器，科學(xué)家們還將該技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)傳感器解決方案。

微型氣體傳感器系統(tǒng)

由此已經(jīng)開發(fā)出一種微型化的磷光傳感器，其中，OLED-on-Silicon芯片頂部的標(biāo)記染料與氧直接接觸，由調(diào)制的藍(lán)色OLED光激發(fā)，其磷光響應(yīng)在傳感器芯片內(nèi)直接檢測(cè)。

通過使用不同的染料，未來除了測(cè)量氧氣濃度，還可以測(cè)量其他氣體甚至pH值、壓力和溫度。

目前，市場(chǎng)上還沒有用于染料激發(fā)和讀出的類似傳感器芯片的商業(yè)化解決方案，并且，F(xiàn)raunhofer FEP開發(fā)的這款傳感器包含控制電路的芯片面積小于8 mm x 8 mm。這使其相比現(xiàn)有用于氣體濃度和狀態(tài)測(cè)定的傳感系統(tǒng)要小得多。

染料磷光的衰減時(shí)間是測(cè)量環(huán)境中氧濃度的關(guān)鍵參數(shù)。通過集成硅光電二極管檢測(cè)隨氧濃度增加而顯著降低的磷光信號(hào)，并在芯片中放大，隨后根據(jù)激發(fā)信號(hào)的相移進(jìn)行評(píng)估。

現(xiàn)有類似傳感器封裝技術(shù)的缺點(diǎn)是成本高，需要至少兩到三個(gè)工藝室，并且工藝參數(shù)的穩(wěn)定性存在挑戰(zhàn)。此外，在處理這些傳感器芯片時(shí)，顆粒附著會(huì)降低良率。進(jìn)而反映在制造成本中，并使工業(yè)化轉(zhuǎn)移復(fù)雜化。

為了提高傳感器芯片的良率，并在未來提供尺寸更小的芯片，F(xiàn)raunhofer FEP在德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候行動(dòng)部AquaSens項(xiàng)目的資助下，重點(diǎn)優(yōu)化了其封裝技術(shù)，顯著改進(jìn)了可在非常小區(qū)域上測(cè)量氧氣濃度的氣體傳感器芯片。

“為了優(yōu)化整個(gè)芯片，我們構(gòu)建了由原子層沉積（ALD）阻擋層組成的新封裝層?！表?xiàng)目經(jīng)理Karsten Fehse博士介紹說，“其主要優(yōu)勢(shì)是之一，是我們只需要一個(gè)工藝室，極大地減少了工藝步驟和成本。此外，現(xiàn)有工藝顆粒物量要低得多，傳感器芯片封裝層中的缺陷也更少，這些都有助于提高良率。此外，新的ALD技術(shù)使我們能夠非常精確地設(shè)置各層的厚度，從而使我們能夠?qū)崿F(xiàn)封裝阻擋層的高再現(xiàn)性?！?/p>

科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)有/無額外玻璃封裝的芯片進(jìn)行了初步老化測(cè)試。在85%相對(duì)濕度和85℃下儲(chǔ)存90天，傳感器芯片的良品率顯著高于之前封裝的樣品。面對(duì)有機(jī)器件極高的要求，這些積極的測(cè)試結(jié)果證明了有機(jī)CMOS組合在傳感器應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可用性。

此外，氧氣濃度測(cè)量的第一批演示驗(yàn)證已經(jīng)實(shí)施，并對(duì)空氣和水中的濃度測(cè)定進(jìn)行了評(píng)估。這款微型氧氣傳感器概念已經(jīng)能夠確定空氣中0~20%的氧氣濃度，與文獻(xiàn)值相當(dāng)。

除了優(yōu)化傳感器芯片的封裝，F(xiàn)raunhofer FEP的研究人員還希望在未來將芯片的整體尺寸縮小到2 mm × 2 mm以下。

Fehse介紹說：“光產(chǎn)生和光探測(cè)的隔離是未來進(jìn)一步微型化的挑戰(zhàn)之一。這是因?yàn)镺LED產(chǎn)生的光越接近硅光電二極管，即芯片越小，就越難實(shí)現(xiàn)這種光學(xué)隔離。由于信號(hào)分離較差，光電二極管只能檢測(cè)OLED信號(hào)，而無法檢測(cè)染料響應(yīng)信號(hào)。憑借在芯片開發(fā)方面的專業(yè)積累，我們正在通過調(diào)整OLED的發(fā)光特性以及在芯片上集成濾色片來研究解決方案?！?/p>

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審核編輯：劉清