Simulation und Entwicklung eines optischen Taupunktsensors

In diesem Beitrag stellen wir einen kompakten, integrierten optischen Taupunktsensor vor, der sich durch einen geringen Platzbedarf von wenigen Zentimetern und einer geringen Ansprechzeit von 100 ms auszeichnet. Die grundlegende Komponente des präsentierten Sensors ist ein Siliciumchip mit gitterähnlichen Strukturen, welcher durch ein Peltierelement gekühlt wird. Als Lichtquelle wird eine Infrarot-LED verwendet. Die Strahlführung im Silicium erfolgt durch Reflexion an geneigten Ebenen, welche mittels KOH-Ätzens realisiert wurden. Reflexionsverluste beim Einkoppeln in das Silicium werden durch eine Antireflex-Dünnschicht aus Titanoxid oder Siliciumnitrid minimiert. Die bei gezielter Kühlung auf der Oberfläche kondensierten Wassertropfen bewirken eine Änderung der Brechzahl des Umgebungsmediums (von Luft zu Wasser), sodass die Bedingung der Totalreflexion an den Grenzflächen der tiefgeätzten Gitterstrukturen nicht mehr erfüllt ist. Eine Betauung des Siliciumchips spiegelt sich daher sofort als Intensitätsverlust im Sensorsignal wider. Die Herstellung eines solchen Taupunktsensors mit Rückgriff auf etablierte MEMS-Fertigungsverfahren ebnet den Weg für die On-Chip-Taupunkt-Erkennung.