Gassensoren Miniaturisierung durch OLED-auf-Silizium-Technik

Kleinere Gassensoren durch OLED-Technik direkt auf Silizium. Den Funktionsnachweis hat das Fraunhofer FEP bereits gezeigt.
Kleinere Gassensoren durch OLED-Technik direkt auf Silizium. Den Funktionsnachweis hat das Fraunhofer FEP bereits gezeigt.

Das Fraunhofer FEP forscht seit Jahren an der OLED-auf-Silizium-Technik. Nun werden daraus die ersten Phosphoreszenz-Gassensoren entwickelt. Sie sollen kompakter und perspektivisch auch preisgünstiger zu fertigen sein.

Für die Sauerstoffdetektion bieten optische Sensoren zwei große Vorteile: Sie decken einen weiten Temperaturbereich ab und können kompakt gefertigt werden. Da sie außerdem nur wenig störanfällig sind und recht einfach in bestehende Systeme integriert werden können, sind sie unter Produktentwicklern sehr beliebt.

Das Fraunhofer Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) entwickelt neue Phosphoreszenz-Sensoren zur Sauerstoffmessung auf Basis der OLED-auf-Silizium-Technik. Sie wird bereits in Fingerabdruck-Sensoren verwendet.

OLED-auf-Silizium-Gassensor

Im Gassensor wird ein Marker durch blaues, moduliertes OLED-Licht angeregt und die Phosphoreszenzantwort innerhalb des Sensorchips direkt detektiert. Die Abklingzeit des emittierten Markerlichts ist ein Parameter für die Stoffkonzentration in der Umgebung – in diesem Fall Sauerstoff. Das deutlich geringere Phosphoreszenzsignal wird über integrierte Silizium-Photodioden aufgenommen, im Chip lokal verstärkt und anschließend hinsichtlich der Phasenverschiebung zum Erregersignal bewertet. Eine typische Anwendung ist die Messung der Sauerstoffkonzentration.

Ziel der Entwicklung ist die Miniaturisierung und damit letztlich eine günstigere Herstellung von optischen Gassensoren. Dafür haben die Fraunhofer-Forscher die OLED-Ansteuerung und das Sensor-Frontend in den Siliziumchip integriert. Der ebenfalls integrierte Marker ist kommerziell verfügbar.

Funktionstüchtigkeit gezeigt

»Momentan ist der Sensor auf die Detektion von Sauerstoffveränderungen ausgelegt. Mit diesem ersten Aufbau haben wir den Funktionsnachweis des Bauelementes erreicht und können den miniaturisierten Sensorchip für Sauerstoffmessungen in Gasen einsetzen«, erläutert Dr. Karsten Fehse, Projektleiter in der Gruppe Organic Microelectronic Devices.

Der Sensorchip werde auch als Plattform für zukünftige Entwicklungen dienen, etwa für die Messung noch weiterer Parameter oder den Einsatz in anderen Umgebungsbedingungen, so Dr. Fehse weiter. Der Prototyp emittiert auf einer Fläche von 4,7 mm x 2,2 mm und soll noch deutlich verkleinert werden. Weniger als 2 mm x 2 mm lautet das ausgegebene Entwicklungsziel.