Gassensoren, die in verschiedenen Bereichen unverzichtbar sind, sind besonders wichtig für die Messung der Sauerstoffkonzentration in Anwendungen, die von der Lebensmittelproduktion über die Umweltüberwachung bis hin zur medizinischen Atemanalyse reichen. Die Wahl der Gassensoren hängt von Faktoren wie Genauigkeit, Reaktionszeit, Umweltbedingungen, Kosten und Systemgröße ab.
Das Fraunhofer IPMS, bekannt für seine Expertise in der OLED-on-Silicon-Technologie, hat einen miniaturisierten Phosphoreszenzsensor entwickelt, der ultraflache OLED-Lichtquellen direkt auf CMOS-Chips integriert. Diese Technologie bietet eine Alternative zu herkömmlichen optischen Sensoren, deren Miniaturisierung aufgrund separater LED-, Filter- und Sensorkomponenten schwierig sein kann. Der miniaturisierte Sensor misst die Sauerstoffkonzentration und sein Design ermöglicht potenzielle Messungen von anderen Gasen, pH-Werten, Druck und Temperatur.
Derzeit gibt es keine kommerziellen Lösungen für Sensorchips von vergleichbarer Größe, so dass diese Innovation deutlich kleiner und kostengünstiger ist als bisherige Systeme. Der Sensor erkennt die Abklingzeit der Farbstoffphosphoreszenz mithilfe integrierter Silizium-Photodioden und liefert so genaue Daten zur Sauerstoffkonzentration.
Eine wichtige Entwicklung ist die Optimierung der Verkapselungstechnologie im Rahmen des AquaSens-Projekts, die zu verbesserten Gassensorchips führt. Das Fraunhofer IPMS hat eine Barriereschicht aus Atomlagen (ALD) eingeführt, die die Komplexität reduziert und die Ausbeute erhöht, während Stabilität und Präzision des Prozesses erhalten bleiben.
Die Stabilität der organischen-CMOS-Kombination wurde durch Alterungstests bestätigt, was die Machbarkeit dieser Technologie unter Beweis stellt. Erste Demonstratoren für die Sauerstoffmessung haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt, indem sie die Sauerstoffkonzentration in Luft und Wasser genau gemessen haben.
Die Forscher wollen die Größe des Chips weiter auf weniger als 2 x 2 mm reduzieren. Allerdings ergeben sich beim Schrumpfen des Chips Herausforderungen bei der optischen Trennung. Trotz dieser Herausforderungen arbeitet das Team des Fraunhofer IPMS aktiv an Lösungen, um die Lichtemissionseigenschaften von OLEDs anzupassen und Farbfilter auf dem Chip zu integrieren.
Die Forscher sind offen für Gespräche zur Validierung und Weiterentwicklung. Sie haben Verbindungen zu führenden Farbstoffherstellern für Sensormarker aufgebaut, die für spezifische Anwendungen angepasst werden können. Diese innovative Gassensortechnologie verspricht effiziente und kostengünstige Lösungen für eine breite Palette von Anwendungen.
Die Arbeitsgruppe für Mikrodisplays ist zum Fraunhofer IPMS umgezogen.