HIPS

Ziel des Wachstumskerns HIPS (High Performance Sensors) ist die Entwicklung und gemeinsame Vermarktung neuartiger, robuster, hochintegrierter Sensoren auf Basis einer einzigartigen Verbindung von Siliziumtechnologie und keramischer Mehrlagentechnik (SiCer). Das Silizium wird dazu dauerhaft und auf Waferlevel mit dem keramischen Träger verbunden. Durch die Verknüpfung der Vorteile beider Technologiewelten entsteht eine neue, unikale Technologieplattform für eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mit großer Anwendungsbreite.

Im Bündnis HIPS arbeiten 12 regionale Unternehmen, 7 Forschungseinrichtungen und 5 assoziierte Partner aus dem Thüringer Technologiedreieck Jena/Hermsdorf-Erfurt-Ilmenau zusammen. In diesem Verbund sind die Partner erstmals in der Lage, umfassende Lösungen zu Hochleistungssensoren anzubieten, die in SiCer-Form bisher weltweit noch nicht verfügbar sind. Zielstellung ist die Entwicklung von innovativen Materialien, Verfahren und Bauelementen auf dieser neuen Technologieplattform, die vielfältig eingesetzt werden können und damit die Voraussetzung für die breite Erschließung neuer Anwendungsfelder der Sensorik (Abb. 1) schaffen.

Prinzipielle Vorgehensweise bei der Herstellung eines SiCer-Systems (Abb. 2):

Nach dem Vorprozessieren beider Substrat-Layer (Silizium und LTCC-Grünfolien) werden diese zueinander ausgerichtet und gestapelt. Das anschließende Laminieren und Sintern (900 °C) führt zu einem quasimonolithischen Verbundsubstrat (SiCer). Dieses kann dann mit MEMS-Technologien weiterprozessiert werden. Eine nachfolgende Prozessierung mit Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik nutzt die Fähigkeit/Eigenschaft der LTCC als keramischen Schaltungsträger um Teile der Sensorelektronik (Primärelektronik) direkt am Messwandler (kurze, vertikale Leitungswege) zu integrieren. Gleichzeitig kann bei Bedarf eine Häusung realisiert werden.

Damit steht  ein Materialverbund zur Verfügung, bei dem eine Vielzahl von Werkstoffen sowie Mikro- und Nanostrukturen monolithisch in die LTCC oder auf die Silizium-Seite des Substrates integriert werden können. Die thermische Anpassung des Systems erlaubt damit sowohl die Nutzung von Hochtemperartur-Prozessen in der Fertigung als auch einen Einsatz des fertigen Systems unter Hochtemperatur-Bedingungen bis mindestens 600 °C. Damit ergeben sich folgende Vorteile für SiCer-Sensoren:

• Hohe Funktionsintegration (Multisensoreigenschaften) durch Verknüpfung von Silizium- und LTCC-Technik
• Robustheit durch Trägerfunktion der LTCC-Keramik und hohe Bondfestigkeit zwischen LTCC und Silizium: bis zu 5000 N/cm²
• Inertheit durch gasdichtes Bondinterface (He-Dichtheit <1,1·10-8 mbar·l/s)
• Kompatibilität zu Dünnschicht- und MEMS-Prozessen (Standardanlagen)
• Kostengünstig durch Wafer-Level-Packaging
• Miniaturisierung durch 3D-Aufbau der Sensoren
• Integrierbarkeit von Fluidkanälen
• Temperaturfestigkeit durch anorganische Materialien und robuste elektrische und thermische Vias (bis mindestens 600 °C)
• Einfaches Wärmemanagement durch extremen Wärmeleitfähigkeitsunterschied des Verbundsubstrats: Silizium: 150 W/(m·K), LTCC: 5 W/(m·K)

Im Rahmen der Forschungsarbeiten an der TU Ilmenau werden drei eng miteinander verknüpfte  Verbundprojekte bearbeitet:

VP1: Entwicklung von SiCer-Basistechnologien für Anwendungen in der High Performance Sensorik - SiCer-Basistechnologien

Das Teilprojekt beinhaltet die Erforschung, Weiterentwicklung und Evaluierung der SiCer-Plattform mit dem Ziel, neue Materialien und Funktionselemente  für hochperformante Sensoranwendungen zu erschließen und die dafür erforderlichen Prozesse auf ein Niveau zu heben, mit dem die Umsetzungsstrategie der industriellen Verbundprojektpartner erfüllbar sind. Die TU Ilmenau verfügt im Konsortium über den höchsten Erfahrungsschatz in der Verbundtechnologie SiCer und wird dabei den Technologietransfer an die Partner vorantreiben.

VP2: Entwicklung und Aufbau SiCer-basierter, multifunktioneller Sensorsysteme für den Anwendungsbereich „Flüssigkeitssensorik“

Ziel dieses Teilvorhabens ist die Überführung und demonstratorische Anwendung der SiCer-Technologie in das Design und den Aufbau von Flüssigkeitssensoren. Die unterschiedlichen Materialien, Herstellungstechnologien, Struktur- und Funktionselemente der SiCer-Plattform sollen für verschiedene Themenschwerpunkten (TS) hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Anwendungspotentiale und Skalierbarkeit für „High-Performance Flüssigkeitssensoren“ untersucht und angewendet werden. In diesem Teilprojekt gibt es drei Themenschwerpunkte die bearbeitet werden und jeweils unterschiedliche Applikationsbeispiele für multifunktionelle SiCer-Sensorsysteme im Bereich der Flüssigkeitssensorik repräsentieren:

• SiCer-Multi-λ-Sensor für das Wassermonitoring
• SiCer-Feuchte-Sensor für aggressive Umgebungen
• SiCer-Impedanz-Sensor für Durchfluss-Zytometrie und Biofilm-Monitoring

VP3: SiCer-basierte Messaufnehmer für Anwendungen in der Gassensorik

Das Teilprojekt beinhaltet die Entwicklung, technologische Umsetzung und Evaluierung von SiCer-basierenden Sensorelementen für die Gassensorik. Konkret sollen drei prototypische Anwendungen für einen Aufbau in der Verbundsubstrattechnologie SiCer zuerst separat voneinander und danach vereint in einem Sensor-Demonstrator umgesetzt werden. Die Herausforderung im Verbundprojekt liegt in der stark differierenden Spezifik der einzelnen prototypischen Anwendungen Infrarotsensor, Drucksensor und Temperatursensor begründet. In der technologischen Umsetzung des Sensorelements sind jeweils unterschiedliche Prozesse und Prozessfolgen anzuwenden, die sich ggf. gegenseitig beeinflussen bzw. im Extremfall ausschließen könnten (z.B. Hochtemperaturprozesse, die durch Diffusion piezoelektrische Dehnungssensoren wegdriften lassen).

Teilprojektleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens Müller
Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dipl.-Ing Michael Fischer, M. Sc. Cathleen Kleinholz,
Projektlaufzeit: 09/2019 - 12/2022
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH
Förderung: BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung

Partner:
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (IBA) Heiligenstadt, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH (CiS) Erfurt, IFU GmbH (Lichtenau), Ernst-Abbe-Hochschule Jena (EAH) Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), Fraunhofer-Institut für Keramische Technolog. und Systeme (IKTS) Hermsdorf, LUST Hybrid-Technik GmbH (LHT) Hermsdorf, Micro-Hybrid Electronic GmbH (MHE) Hermsdorf, Micro-Sensor GmbH (MSE) Hermsdorf, Siegert Thinfilm Technology GmbH (STFT) Hermsdorf, VIA electronic GmbH (VIA) Hermsdorf, 5microns GmbH (5M) Ilmenau, Ilmsens GmbH (ILSN) Ilmenau, IL Metronic Sensortechnik GmbH (ILM) Ilmenau, Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH (IMMS) Ilmenau, Kompass GmbH (KOM) Ilmenau, UST Umwelt Sensor Technik GmbH (UST) Geschwenda, LLT Applikation GmbH (LLT) Ilmenau

Assoziierte Partner:
Osyso GmbH (Osyso) Jena, CMOS-IR GmbH (CIR) Erfurt, Landesentwicklungsgesellschaft Thüringen mbH (LEG) Erfurt, JenaBatteries GmbH Jena, X-FAB MEMS Foundry GmbH Erfurt