Forschung & Entwicklung

Farbsensoren auf kleinstem Raum

Farbsensoren mit speziellen Linsenanordnungen lassen sich direkt auf Chipebene realisieren, vereinen viele Funktionen und bieten ein breites Einsatzspektrum.

Damit Displays, LEDs und vergleichbare Technologien Farben richtig anzeigen, werden Farbsensoren eingesetzt. Dafür können spezielle, nanoplasmonische Strukturen genutzt werden. Sie filtern das einfallende Licht so, dass nur sehr definierte Teile des Farbspektrums auf die Detektorfläche gelangen. Entscheidend für eine funktionierende Farbfilterung ist hierbei der Einfallswinkel des Lichts. Um unerwünschte Winkel und damit Farbfehler zu vermeiden, werden in herkömmlichen Sensoren makroskopische Elemente zur Verbesserung der Filtergenauigkeit eingesetzt, die jedoch den gesamten Aufbau deutlich vergrößern.

Daher arbeiten das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen und das Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg im Projekt FOWINA (Formung des Winkelspektrums von Nanostruktur-Farbsensoren mit mikrooptischen Strahlführungselementen) an einer All-in-one-Lösung, die viele Funktionen auf kleinstem Raum vereint: Auf dem Farbsensorchip werden Farbfilterstrukturen, Winkelfilter zur Steuerung des Lichteinfalls, Auswertelektronik zur Signalverarbeitung und Fotodioden zur Umwandlung des Lichts in Strom integriert. Durch ihren sehr kompakten Aufbau sind die neuartigen Farbsensoren ultraflach, sodass sie in vielen Produkten wie Kameras oder Handys eingesetzt werden können. Das Projekt FOWINA wird im Programm ‚Mittelstandorientierte Eigenforschung‘ der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

Neben dem hohen Integrationsgrad, der möglichst viele Funktionen auf einer kleinen Fläche vereint, ist auch die Herstellung vereinfacht worden und damit kostengünstiger als bisherige Verfahren. Das Fraunhofer IIS entwickelt den Sensorchip einschließlich der nanoplasmonischen Farbfilter. Diese können kostengünstig im CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Prozess zusammen mit Fotodioden und der Auswerteelektronik mit nur einer einzigen Technologie hergestellt werden.

Das Fraunhofer ISC fertigt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation Arrays von Mikrostrukturen, die als Winkelfilterelemente für die Sensoren wirken. Um den Fertigungsprozess zu beschleunigen, wendet das Fraunhofer ISC die Nanoimprint-Technik zur Replikation der Strukturen an. Diese Technik erlaubt auch die Kombination verschiedener Strukturen in nur einem Substrat.

Dem Fraunhofer ISC ist es im Projekt FOWINA gelungen, mithilfe von mikrooptischen Strukturen den Einfallswinkel des Lichts auf einen Bereich von ±10 Grad einzugrenzen, sodass eine bestmögliche Farbfilterung erfolgt. Damit lässt sich zum Beispiel die Farbe von LEDs aktiv nachregeln. Zudem bieten die Mikrolinsen eine sehr hohe Oberflächengenauigkeit, wodurch das Licht gezielt auf die Farbfilter trifft. Als Material für die Arrays nutzt das Fraunhofer ISC ein spezielles anorganisch-organisches Hybridpolymer, das sich durch sehr hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität auszeichnet und sich durch Modifikation der molekularen Struktur einfach an spezifische Anforderungen anpassen lässt.

Die beiden Fraunhofer-Partner optimieren aktuell die Entwicklung und die Herstellung der Farbsensoren, um eine Skalierung der Herstellung auf einen industriellen Maßstab beziehungsweise eine spätere Massenfertigung zu ermöglichen.

von mn

www.isc.fraunhofer.de

www.iis.fraunhofer.de

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