Integrierte Sensoren

In der Sensortechnik erzielt man ein Höchstmaß an Miniaturisierung, wenn es gelingt, Sensorelemente mit der signalverarbeitenden Elektronik auf einem einzigen Siliziumchip zu integrieren. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen kann man physikalische Effekte im Silizium selbst ausnutzen, das sind z. B. Temperaturabhängigkeiten oder optische Effekte oder die Ablenkung von Ladungsträgern durch Magnetfelder, zum anderen können jedoch zusätzliche Bearbeitungsschritte oder zusätzlich aufgebrachte Schichten dazu dienen, einen Sensoreffekt zu erzeugen, hierzu gehören z. B. piezoelektrische Schichten. Zu beiden Arten von Sensoren werden im Folgenden Beispiele aufgezeigt, die bereits erfolgreich in integrierten Sensorsystemen realisiert werden konnten.

Beispiele für Integrierte Sensoren, die auf physikalischen Effekten im Silizium basieren, fangen mit den schaltungstechnischen Bauelementen an. Viele Parameter der integrierten Bauelemente sind temperaturabhängig, was häufig kompensiert werden muss, um temperaturstabile Schaltungen zu erhalten. Man kann diese Effekte auch nutzen, um mit der Parameteränderung eine Temperaturmessung zu realisieren. Durchgesetzt hat sich eine Temperaturmessung über die Durchflussspannung von Dioden, die in Vorwärtsrichtung gepolt sind. Die sich einstellende Spannung basiert auf der Bandgap-Spannung des Materials, hier Silizium, und liefert bei Kalibrierung Genauigkeiten von wenigen Zehntel Grad.      

Des weiteren können Magnetfelder, durch das Ausnutzen des Hall-Effekts in stromdurchflossenen Leitern auf einem Chip, gemessen werden. Dieser Effekt ist vom Material unabhängig und basiert lediglich auf der Ablenkung von Ladungsträgern im Magnetfeld.

Ein weites Feld innerhalb der integrierten Sensoren stellen die optischen Sensoren dar, die Licht nach verschiedenen Prinzipien detektieren können. Hier haben sich Photodioden etabliert, die z .B. als Single Photon Avalanche Diode in der Lage sind, einzelne Photonen zu detektieren. Eine Vielzahl von Technologien optischer Detektion basiert auf diesem Grundprinzip.

Weitere Sensoreffekte bei integrierten Sensoren lassen sich durch zusätzliche Schichten auf dem Silizium realisieren. Dies wird häufig kombiniert mit einer mechanischen Strukturierung des Siliziums durch Ätzvorgänge, um z. B. Kavitäten zu erhalten. Damit eröffnet sich eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten. Beispiele dafür sind integrierte Drucksensoren, Beschleunigungs- und Vibrationssensoren auf der Basis von frei aufgehängten beweglichen Massen. Ein neues Betätigungsfeld am Fraunhofer IMS besteht darin, bioaktive Schichten zu nutzen, um gezielt biologische Substanzen zu detektieren.