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Anwendungsbereiche und aktuelle Projekte im Bereich CMOS- und MEMS- Technologien

Anwendungen und Projekte im Bereich CMOS und MEMS Technologien

Anwendungsbereiche und aktuelle Projekte von mikroelektronischen und mikromechanischen Komponenten und Systemen am Fraunhofer IMS

In den letzten Jahrzehnten führten Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in der Mikro- und Nano-Elektronik zu einer fortlaufenden Verkleinerung von Strukturen und damit zu einer kontinuierlich wachsenden Integrationsdichte, mit dem Ziel die Funktionalität auf einem Chip oder Mikrosystem weiter zu erhöhen.

Das Fraunhofer IMS setzt diesen Trend fort und entwickelt in verschiedensten Anwendungsgebieten kompakte und leistungsfähige Mikro- und Nanosysteme:

Pixeldetektoren: Projekt DEPFET

DEPFET-Pixel aus Feldeffekt-Transistor mit internem Gate auf verarmtem Silizium-Substrat
© Fraunhofer IMS

DEPFET-Pixel aus Feldeffekt-Transistor mit internem Gate auf verarmtem Silizium-Substrat

DEPFET-Detektoren (»depleted p-channel field-effect transistor«) sind sehr schnelle, bildgebende Pixeldetektoren mit einer hervorragenden Energieauflösung und großer Strahlenhärte. Sensoren und Detektoren mit integrierter Elektronik für ionisierende Strahlung finden in der Grundlagenforschung und in der angewandten Forschung ebenso Anwendung wie in der industriellen Analytik und Qualitätskontrolle. Ein DEPFET-Pixel besteht aus einem Feldeffekttransistor auf einem vollständig verarmten Substrat. Beim DEPFET-Detektor ist die erste Verstärkungsstufe in jedem Pixel integriert, wodurch eine sehr kleine Eingangskapazität und somit ein sehr gutes Rauschverhalten des Detektors ermöglicht werden. Bisher werden diese speziellen rauscharmen Detektoren ausschließlich im Forschungslabor angefertigt. Fraunhofer IMS entwickelt gemeinsam mit PNSensor einen Herstellungsprozess für DEPFET-Detektoren unter industriellen Qualitätsstandards.

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High Temperature Electronics: Projekt HOTMOS

Darstellung einer integrierten Hochtemperaturschaltung im Keramikgehäuse in Flammen
© Fraunhofer IMS

Hochtemperatur Integrierte Schaltung im Keramikgehäuse

Bei dem Projekt HOTMOS arbeiteten das Fraunhofer IMS und Carnot CEA-LETI zusammen um die Betriebsreichweite von mikroelektronischen Systemen für die Anwendung in rauen Umgebungen zu erweitern.

In dem Projekt wurde eine SOI CMOS Technologieplattform für den Einsatz von mikroelektronischen Schaltungen für den Temperaturbereich von über 250°C entwickelt.

Die hohe Integrationsdichte des 0,35 μm SOI-CMOS ermöglicht intelligente und kompakte Treiber, welche on-chip Kontrolle, Störungsmanagement und Energieverwaltung beinhalten.

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Gassensor: Projekt FunALD

Freistehender Nanodraht über Heizermeanderstrukturen z.B. zur Gasdetektion durch Widerstandsänderung
© Fraunhofer IMS

Freistehender Nanodraht über Heizermeanderstrukturen z.B. zur Gasdetektion durch Widerstandsänderung

Im Rahmen des Projektes »Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste Generation der Nanosystemtechnik« (kurz: FunALD)  wird eine neue Art der Materialherstellung insbesondere für die Sensortechnik untersucht, die »Atomlagenabscheidung« (»Atom Layer Deposition«, kurz ALD). Es werden neue metallorganische Ausgangsmaterialien (»Precursoren«) für den ALD-Prozess entwickelt, Teststrukturen auf Basis von Schichten und Schichtenfolgen entworfen und hergestellt, sowie Messverfahren entwickelt, um die Schichten und Schichtenfolgen gezielt zu charakterisieren. Das Ziel ist in der  dreijährigen Projektdauer ultradünne funktionale Materialien auf Basis der ALD-Technologie für Anwendungen im Bereich mechanische Sensoren und Gas-Sensorik zu entwickeln.

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HF-Transponder: Projekt MARIE

Resonator aus hochresistiven Silizium gefertigt in der  MST Lab&Fab
© Fraunhofer IMS

Resonator aus hochresistiven Silizium gefertigt in der MST Lab&Fab

Das Fraunhofer IMS partizipiert am EU-Forschungsprojekt »MARIE« (MAteRIal TranscEiver) mit der Herstellung von dielektrischen Resonatoren (RFID Tags) zur Sub-Millimeter Lokalisierung. Das Fraunhofer IMS stellt dazu Hochfrequenz-Resonatoren im Mikrosystemtechnologie Lab & Fab her. Mit diesen »Tags« versehene Objekte können in einem Hochfrequenzfeld lokalisiert werden. Ziel ist es eine Ortungsgenauigkeit besser als ein Millimeter zu erzeugen.

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Nanoelektrodenarray: Projekt ZellMOS

Für die Vermessung biologischer Zellen wird das CMOS-Nanoelektrodenarray elektrisch angeschlossen und in ein abgedichtetes Flüssigkeitsreservoir getaucht.
© Fraunhofer IMS

Für die Vermessung biologischer Zellen wird das CMOS-Nanoelektrodenarray elektrisch angeschlossen und in ein abgedichtetes Flüssigkeitsreservoir getaucht.

Im Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprojekt ZellMOS arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IMS, des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universitätsklinik Heidelberg gemeinsam an einer elektronischen Kontaktierung lebender Zellen mit Halbleiterschaltungen. Hierzu sollen CMOS-Nanoelektrodenarrays mittels 3D-Nanostrukturen auf Metall-Oxid-Halbleitern hergestellt werden. Gemeinsam wollen die Forscher beider Wissenschaftsorganisationen zwischen lebenden Zellen und CMOS-integrierten 3D-Elektroden eine direkte, effiziente, bidirektionale und langzeitstabile elektronische Kopplung demonstrieren.

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Point-of-Care-Diagnostics: Projekt PoC-ID

Membranstruktur des hergestellten  BioMEMS
© Fraunhofer IMS

Mikroskopaufnahme des hergestellten Bio-MEMS

Im Projekt PoC-ID wird ein kompaktes Messgerät auf Basis eines BioMEMS-Sensors zur Diagnose von Infektionen mit dem Respiratorischen Synzytial-Virus bei Neugeborenen entwickelt. Hierzu arbeitet das Fraunhofer IMS zusammen mit Projektpartnern an einem Sensor, der die Existenz des Virus in der Probe und die Konzentration mehrerer Entzündungsparameter bestimmt. Die Prozessentwicklung und Fertigung des MEMS-Sensors wird in der hauseigenen Mikrosystemtechnologie Lab & Fab.

Die funktionale Struktur des MEMS-Sensors besteht aus einer wenigen Mikrometer dünnen Membran, die über piezoelektrische Effekte in Schwingung versetzt wird. Diese Membran ist zusätzlich mit Fängermolekülen beschichtet, welche selektiv Entzündungsmarker oder Virusproben binden. Durch die Bindung von Molekülen erhöht sich die Masse auf der Membran und eine Reduktion der Schwingfrequenz tritt ein. Diese Schwingfrequenzänderung wird über eine eigens entwickelte Auswerteelektronik detektiert und gibt Rückschlüsse auf das Vorhandensein und die Konzentration der Probenparameter.

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