Fraunhofer FEP開發(fā)的通用微型氣體傳感器平臺

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

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)、測量水域或海洋中氧氣含量的環(huán)境監(jiān)測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，市場上大部分光學式氧氣傳感器都由于其分立的LED、濾光片以及探測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技術的高集成度電光元件方面擁有多年的專業(yè)積累。除了實現(xiàn)各種OLED微型顯示器，科學家們還將該技術應用于光學傳感器解決方案。

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芯片頂部的標記染料與氧直接接觸，由調(diào)制的藍色OLED光激發(fā)，其磷光響應在傳感器芯片內(nèi)直接檢測。

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

目前，市場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)測定的傳感系統(tǒng)要小得多。

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

現(xiàn)有類似傳感器封裝技術的缺點是成本高，需要至少兩到三個工藝室，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，顆粒附著會降低良率。進而反映在制造成本中，并使工業(yè)化轉(zhuǎn)移復雜化。

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)濟事務和氣候行動部AquaSens項目的資助下，重點優(yōu)化了其封裝技術，顯著改進了可在非常小區(qū)域上測量氧氣濃度的氣體傳感器芯片。

“為了優(yōu)化整個芯片，我們構建了由原子層沉積（ALD）阻擋層組成的新封裝層。”項目經(jīng)理Karsten Fehse博士介紹說，“其主要優(yōu)勢是之一，是我們只需要一個工藝室，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技術使我們能夠非常精確地設置各層的厚度，從而使我們能夠?qū)崿F(xiàn)封裝阻擋層的高再現(xiàn)性?！?/p>

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

此外，氧氣濃度測量的第一批演示驗證已經(jīng)實施，并對空氣和水中的濃度測定進行了評估。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，與文獻值相當。

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)生和光探測的隔離是未來進一步微型化的挑戰(zhàn)之一。這是因為OLED產(chǎn)生的光越接近硅光電二極管，即芯片越小，就越難實現(xiàn)這種光學隔離。由于信號分離較差，光電二極管只能檢測OLED信號，而無法檢測染料響應信號。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