Nye farvesensorer er billigere at fremstille

I FOWINA-projektet, Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS i Erlangen og Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC i Würzburg har udviklet nye farvesensorer med et særligt mikrolinsearrangement. Sensorerne kan realiseres direkte på chippen og kombinerer flere funktioner på et minimum af plads. Deres ekstremt slanke design gør sensorerne velegnede til en bred vifte af applikationer, såsom i mobile enheder eller farvejusterbare LED-lamper.

Farvesensorer bruges i skærme, LED'er og andre tekniske enheder til at generere ægte farver. Deres fremstilling involverer brugen af ​​specielle nanoplasmoniske strukturer. Disse strukturer filtrerer det indfaldende lys, tillader kun præcist definerede områder af farvespektret at nå detektoroverfladen. Evnen til at kontrollere indfaldsvinklen er afgørende for farvefiltrenes korrekte funktion. Konventionelle sensorer indeholder makroskopiske elementer for at forbedre filterets nøjagtighed og undgå usande farver ved at maskere lys i uønskede vinkler, men disse tilføjede elementer øger komponentens byggestørrelse markant.

Ultraslanke sensorer til kameraer og smartphones

For at overvinde denne ulempe, de to Fraunhofer-institutter, der arbejder på FOWINA-projektet, IIS og ISC, udvikler en alt-i-en løsning, der kombinerer flere funktioner på et minimum af plads. Farve-filter strukturer, vinkelfiltre til at regulere det indfaldende lys, evalueringskredsløb til signalbehandling, og fotodioder til at omdanne lysenergi til elektrisk energi er alle integreret i farvesensorchippen. Dette ekstremt kompakte design gør det muligt at bygge nye, ultraslanke farvesensorer til indbygning i kameraer, smartphones, og mange andre produkter. FOWINA er et internt projekt finansieret af Fraunhofer som en del af dets interne program for SMV-orienteret forskning. Det tyske akronym står for "kontrol af vinkelspektret af nanostrukturerede farvesensorer ved hjælp af mikrooptiske stråleformende elementer."

Ud over deres høje integrationsniveau, som gør det muligt at pakke et maksimum af funktioner på en lille overflade, de nye sensorer er nemmere og dermed billigere at fremstille end deres forgængere. Fraunhofer IIS er ansvarlig for udviklingen af ​​sensor-IC'en inklusive de nanoplasmoniske farvefiltre. Sidstnævnte kan fremstilles omkostningseffektivt sammen med fotodioderne og evalueringskredsløbene ved hjælp af en og samme CMOS-proces, altså en enkelt teknologi.

Fraunhofer ISC er ansvarlig for at fremstille de arrays af mikrostrukturer, der fungerer som de vinkelformede filterelementer i sensorerne. "Vi bruger den avancerede teknik med to-foton polymerisation, som gør det muligt at skabe næsten enhver form for mikrostruktur eller struktureret overflade, " siger Dr. Sönke Steenhusen, en forsker ved Fraunhofer ISC. For at fremskynde fremstillingsprocessen, Fraunhofer ISC anvender nanoimprint-teknologi – en meget præcis og gennemprøvet litografisk teknik – til at replikere mikrostrukturerne. Denne metode gør det også muligt at kombinere forskellige strukturer på det samme underlag.

Begrænsning af vinklen for indfaldende lys

I løbet af FOWINA-projektet, Fraunhofer ISC har opnået den bedst mulige farvefilterydelse ved at begrænse vinklen af ​​indfaldende lys til et toleranceområde på +/-10 grader ved hjælp af mikrooptiske strukturer. Dette muliggør farven på LED'er, for eksempel, skal justeres aktivt. Et andet pluspunkt er mikrolinsernes meget høje overfladenøjagtighed, som fokuserer lyset på farvefiltrene på en målrettet måde. Materialet brugt af Fraunhofer ISC til at fremstille arrays er en speciel uorganisk-organisk hybridpolymer, som udviser høje kemikalier, termisk og mekanisk stabilitet og kan nemt tilpasses til kravene til specifikke applikationer ved at ændre dens molekylære struktur.

De to samarbejdende Fraunhofer-institutter optimerer i øjeblikket design- og fremstillingsprocesserne for farvesensorerne, med henblik på opskalering til industrielle applikationer og, på et senere tidspunkt, masseproduktion af sensorerne.