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Das CiS Forschungsinstitut plant die Beantragung eines F&E-Kooperationsprojektes.

Die Detektion von Gaskonzentrationen ist von entscheidender Bedeutung in zahlreichen Anwendungsfeldern wie beispielsweise bei der Umwelt- und Prozessmesstechnik, bei Gefahrenerkennung, bei Gebäudeautomation oder in verschiedenen Bereichen der Medizintechnik. Die zunehmende Miniaturisierung und damit einhergehende Kostenreduzierung ermöglicht den Einzug der Gasmesstechnik in immer neue Bereiche des täglichen Lebens mit damit einhergehendem Marktwachstum. Für die Detektion von Gasen können verschiedene Messverfahren verwendet werden. Ein gängiges Verfahren ist die nicht-dispersive Infrarot(NDIR)-Spektroskopie, die im Gegensatz zu vielen chemischen Sensoren berührungsfrei und rein optisch abläuft. Dabei wird das zu untersuchende Gas in ein Messküvette geleitet (oder auch frei im Raum) und mit Licht im infraroten Spektralbereich durchstrahlt. Die zu detektierenden Gase weisen eine konzentrationsabhängige Absorption bei spezifischen Wellenlängen auf, was zu einer Abschwächung des durchlaufenden Lichts führt und mittels eines IR-Detektors erfasst wird. Aus dieser Abschwächung kann die Gaskonzentration ermittelt werden. Häufig wird zudem ein zusätzlicher Referenzwellenlängenbereich vorgesehen, welcher nicht auf die enthaltenen Gase reagiert und somit andere Umgebungseinflüsse und Driftverhalten der Baugruppe erfassen und korrigieren kann.

Die entscheidenden Komponenten für ein NDIR-Gasmesssystem sind die IR-Emitter und die IR-Detektoren. IR-Emitter erzeugen das notwendige IR-Licht, wobei wichtige Parameter die spektralen Eigenschaften und die Intensität sind. Da die NDIR-Messungen typischerweise im Pulsbetrieb durchgeführt werden, ist auch die Grenzfrequenz der IR-Emitter und Detektoren von Bedeutung. Zur Detektion werden typischerweise MEMS-Thermopiles eingesetzt, welche die durch einfallenes IR-Licht erzeugten Temperaturunterschiede innerhalb des Bauteils in eine elektrisch messbare Thermospannung übertragen. Für eine kurze Ansprechzeit und möglichst große Temperaturunterschiede werden die aktiven Gebiete dabei als nur wenige Mikrometer dünne Membran gestaltet, was Herausforderungen für die Fertigungstechnologien mit sich bringt.

Entscheidende Kennwerte von Thermopiles sind die Detektivität D* sowie die Ansprechzeit. D* wird maßgeblich durch den Absorptionsgrad der Absorberfläche bestimmt. Durch spezielle Schichten und/oder Schichtstrukturen kann der Absorptionsgrad beeinflusst werden. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass die thermische Masse der aktiven Gebiete nicht oder nur unwesentlich erhöht wird. Dies hätte negative Auswirkungen auf die Ansprechzeit. Zudem muss die mechanische Schichtspannung (aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten) berücksichtigt werden, um Verformungen oder ein Zerreißen der dünnen Sensormembran im Betrieb oder schon während der Fertigung zu verhindern. Günstig sind darum möglichst dünne Schichten bei gleichzeitig hoher Wirkung auf die Lichtabsorption.

Im Rahmen von internen Forschungsprojekten wurde am CiS Forschungsinstitut die Auswirkung einer zusätzlichen TiN-Schicht auf der Absorberfläche untersucht. Eine Steigerung der Absorption um bis zu 60% bezogen auf herkömmliche Thermopiles konnte ohne nennenswerte Erhöhung der thermischen Masse (bzw. messbare Auswirkung auf die Zeitkonstanten der Bauteile) erreicht werden. Dabei wird zunächst eine dünne Titanschicht aufgebracht, welche im Nachgang bei hohen Temperaturen in Stickstoff-Atmosphäre zu TiN umgesetzt wird. Die Überführung dieses technologischen Ansatzes in die Serie ist bisher jedoch noch nicht gelungen. Ausschlaggebend dafür ist eine unzureichende Prozessstabilität bzw. Inhomogenität der erreichten Schichteigenschaften über der Waferfläche sowie über die einzelnen Wafer innerhalb eines Fertigungsloses. Die Ursachenanalyse dieser Inhomogenität ist aufgrund der sehr geringen Schichtdicken (typisch nur wenige 10 nm) und dem (aufgrund des Herstellungsverfahrens) graduellen Verlaufs der Schichteigenschaften (von unten nach oben innerhalb der dünnen Schicht) nicht trivial und nicht abgeschlossen. Grundlage für eine Nutzung der Vorteile in einer späteren Serienfertigung ist also die Entwicklung von stabilen und reproduzierbaren Prozessen sowie einer geeigneten Prozessmesstechnik.

Das CiS Forschungsinstitut plant, im Rahmen eines neuen ZIM-Kooperationsprojekts gemeinsam mit Partnern aus der Industrie diese Grundlagen zu schaffen sowie erste Demonstratoren der damit realisierten Bauteile für neue Anwendungen zu entwickeln. Grundvorraussetzung hierfür ist, ein Konsortium zu bilden und einen Projektantrag zu stellen. Aufgrund der Vielzahl an denkbaren Lösungsansätzen und dem bisher nur rudimentären Verständnis der Marktsituation und Marktbedürfnissen, sollen für die Vorauswahl und Vorbereitung eines solchen Projektantrages die folgenden Leistungen durch den Auftragnehmer erbracht werden:

Liefer- und Leistungsumfang

1. Erarbeitung einer definierten Aufgabenstellung

Aus den potentiellen Ansätzen ist eine konkrete Zielanwendung unter Berücksichtigung der im ZIM Förderprogramm genannten Anforderungen und Vorgaben abzuleiten. Die Leistungserbringung erfolgt in Form eines schriftlichen Berichts.

2. Gewinnung der notwendigen Kooperationspartner

Die im angestrebten Förderprojekt erforderlichen Partner sollen vorrangig KMUs sein, welche die gesamte Wertschöpfungskette von Forschungsgrundlagen bis zum Produkt abdecken können. Dies sind insbesondere:

A) Partner mit Expertise im Bereich Prozesstechnologie / Schichtabscheidung (Partner 1)

B) Partner mit Expertise im Bereich der Elektronikentwicklung (Partner 2)

C) Partner mit Expertise im Bereich der Softwareentwicklung (Partner 3)

D) Partner mit Marktzugang sowie Möglichkeiten zur Herstellung und Bewertung der Prototypen. (Partner 4)

Es ist zu überprüfen, ob das geplante Förderprojekt mit der ausgearbeiteten Zielstellung und dem Ver-bundpartnerkonsortium gemäß den Förderrichtlinien des Förderprogrammes förderfähig ist.

3. Recherchen und Marktanalysen

Folgende Punkte sind dabei zu bearbeiten:

- Für einen erfolgreichen FuE-Verbundantrag ist es erforderlich, die zu erzielenden Vorteile, der sich aus den Ergebnissen des Förderprojektes ergebenden Lösungen zu identifizieren und hinsichtlich ihres Marktpotentials zu bewerten. Das CiS Forschungsinstitut benötigt darum einen detaillierten Überblick zu bestehenden Lösungen und Produkten mit vergleichbarer Zielanwendung, sowie eine Einschätzung zu den damit verbundenen wesentlichen Vor- und Nachteilen. Die technischen Anforderungen (Sensitivität, Selektivität, Messbereich, Auflösung,...) der potentiellen Anwender sowie die Parameter von am Markt bereits verfügbaren Lösungen sind zu analysieren.

- Im Rahmen einer Literatur- und Patentrecherche soll der Stand der Wissenschaft und Technik mit vergleichbarer Zielanwendung und technologischer Herangehensweise näher betrachtet werden. Insbe-sondere kritische IP soll damit frühzeitig identifiziert werden, um diese bei der Planung und Gestaltung des Fördervorhabens entsprechend berücksichtigen zu können.

Die Leistungserbringung erfolgt in Form eines schriftlichen Berichts.