23.07.2019

Präzise Mikrofarbsensoren zur Integration auf Chip-Level

Ultraflache Farbsensoren

Im Projekt Fowina ist es Fraunhofer IIS und ISC gelungen, neuartige Farbsensoren mit speziellen Linsenanordnungen zu entwickeln. Die Sensoren lassen sich direkt auf Chipebene realisieren und vereinen viele Funktionen auf kleinstem Raum.


Auf dem neuen Farbsensorchip werden Farbfilterstrukturen, Winkelfilter zur Steuerung des Lichteinfalls, Auswertelektronik zur Signalverarbeitung und Photodioden zur Umwandlung des Lichts in Strom integriert.
Bild: K. Selsam, Fraunhofer ISC

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 des Systems deutlich vergrößern.

Ultraflache Sensoren

Deswegen arbeiten die beiden Fraunhofer-Institute IIS und ISC 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 Photodioden zur Umwandlung des Lichts in Strom integriert. Durch den kompakten Aufbau sind die neuartigen Farbsensoren ultraflach, sodass sie in vielen Produkten wie Kameras oder Handys eingesetzt werden können. Neben dem hohen Integrationsgrad, der möglichst viele Funktionen auf einer kleinen Fläche vereint, ist auch die Herstellung der Sensoren vereinfacht worden und damit kostengünstiger als bisher. Das Fraunhofer IIS entwickelt den Sensor-Chip einschließlich der nanoplasmonischen Farbfilter. Diese können kostengünstig im CMOS-Prozess zusammen mit Photodioden und der Auswerteelektronik mit nur einer einzigen Technologie hergestellt werden. Das Fraunhofer ISC fertigt Arrays von Mikrostrukturen, die als Winkelfilterelemente für die Sensoren wirken. "Wir nutzen die moderne Zwei-Photonen-Polymerisation, mit der sich beliebig geformte Mikrostrukturen und strukturierte Oberflächen herstellen lassen", erläutert Dr. Sönke Steenhusen vom Fraunhofer ISC. Um den Fertigungsprozess zu beschleunigen, wendet das Fraunhofer ISC die Nanoimprint-Technik, ein hochpräzises und produktionsbewährtes Abformverfahren, zur Replikation der Strukturen an. Diese Technik erlaubt auch die Kombination verschiedener Strukturen in nur einem Substrat.

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Licht-Einfallswinkel eingrenzen

Dem Fraunhofer ISC ist es in dem Projekt gelungen, mithilfe von mikrooptischen Strukturen den Einfallswinkel des Lichts auf einen Bereich von +/-10° einzugrenzen, sodass eine bestmögliche Farbfilterung erfolgt. Damit lässt sich z.B. die Farbe von LEDs aktiv nachregeln. Zudem bieten die Mikrolinsen eine sehr hohe Oberflächengenauigkeit, sodass das Licht gezielt auf die Farbfilter trifft. Als Material für die Arrays nutzt das Fraunhofer ISC ein spezielles anorganisch-organisches Hybridpolymer, das sich durch eine 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 bzw. eine spätere Massenfertigung zu ermöglichen.

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