基于OLED-on-silicon技术的微型气体传感器平台开发

Fraunhofer FEP开发的通用微型气体传感器平台

据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫有机电子、电子束和等离子体技术研究所（Fraunhofer FEP）开发出基于硅上OLED（OLED-on-silicon）技术并具有最小芯片面积的微型磷光传感器，由此产生的具有改进薄膜封装的通用气体传感器平台将于近日在奥地利维也纳举行的IEEE Sensors 2023会议上亮相。

能够确定环境中某些气体浓度的传感器具有广泛的应用。特别是用于确定氧气浓度的气体传感器，已经用于食品生产、测量水域或海洋中氧气含量的环境监测以及用于呼吸分析的医疗器械等。

仅氧气传感器这一类别而言，市场上大部分光学式氧气传感器都由于其分立的LED、滤光片以及探测器组件而难以小型化。直接集成在CMOS芯片上的超平面OLED光源克服了这些障碍，由于其易于使用且易于在现有系统中集成，因而成为极具吸引力的替代方案。

Fraunhofer FEP在开发和生产基于OLED-on-silicon技术的高集成度电光元件方面拥有多年的专业积累。除了实现各种OLED微型显示器，科学家们还将该技术应用于光学传感器解决方案。

微型气体传感器系统

由此已经开发出一种微型化的磷光传感器，其中，OLED-on-Silicon芯片顶部的标记染料与氧直接接触，由调制的蓝色OLED光激发，其磷光响应在传感器芯片内直接检测。

通过使用不同的染料，未来除了测量氧气浓度，还可以测量其他气体甚至pH值、压力和温度。

目前，市场上还没有用于染料激发和读出的类似传感器芯片的商业化解决方案，并且，Fraunhofer FEP开发的这款传感器包含控制电路的芯片面积小于8 mm x 8 mm。这使其相比现有用于气体浓度和状态测定的传感系统要小得多。

染料磷光的衰减时间是测量环境中氧浓度的关键参数。通过集成硅光电二极管检测随氧浓度增加而显著降低的磷光信号，并在芯片中放大，随后根据激发信号的相移进行评估。

现有类似传感器封装技术的缺点是成本高，需要至少两到三个工艺室，并且工艺参数的稳定性存在挑战。此外，在处理这些传感器芯片时，颗粒附着会降低良率。进而反映在制造成本中，并使工业化转移复杂化。

为了提高传感器芯片的良率，并在未来提供尺寸更小的芯片，Fraunhofer FEP在德国联邦经济事务和气候行动部AquaSens项目的资助下，重点优化了其封装技术，显著改进了可在非常小区域上测量氧气浓度的气体传感器芯片。

“为了优化整个芯片，我们构建了由原子层沉积（ALD）阻挡层组成的新封装层。”项目经理Karsten Fehse博士介绍说，“其主要优势是之一，是我们只需要一个工艺室，极大地减少了工艺步骤和成本。此外，现有工艺颗粒物量要低得多，传感器芯片封装层中的缺陷也更少，这些都有助于提高良率。此外，新的ALD技术使我们能够非常精确地设置各层的厚度，从而使我们能够实现封装阻挡层的高再现性。”

科学家们已经对有/无额外玻璃封装的芯片进行了初步老化测试。在85%相对湿度和85℃下储存90天，传感器芯片的良品率显著高于之前封装的样品。面对有机器件极高的要求，这些积极的测试结果证明了有机CMOS组合在传感器应用中的稳定性和可用性。

此外，氧气浓度测量的第一批演示验证已经实施，并对空气和水中的浓度测定进行了评估。这款微型氧气传感器概念已经能够确定空气中0~20%的氧气浓度，与文献值相当。

除了优化传感器芯片的封装，Fraunhofer FEP的研究人员还希望在未来将芯片的整体尺寸缩小到2 mm × 2 mm以下。

Fehse介绍说：“光产生和光探测的隔离是未来进一步微型化的挑战之一。这是因为OLED产生的光越接近硅光电二极管，即芯片越小，就越难实现这种光学隔离。由于信号分离较差，光电二极管只能检测OLED信号，而无法检测染料响应信号。凭借在芯片开发方面的专业积累，我们正在通过调整OLED的发光特性以及在芯片上集成滤色片来研究解决方案。”

审核编辑：刘清