Präzise Mikrofarbsensoren direkt auf der Chipebene

| Redakteur: Hendrik Härter

Forscher haben einen Farbsensor entwickelt, der direkt auf Chipebene realisiert wurde. Solche Sensoren können in Displays oder bei LEDs verbaut werden, um die Farben zu messen.
Forscher haben einen Farbsensor entwickelt, der direkt auf Chipebene realisiert wurde. Solche Sensoren können in Displays oder bei LEDs verbaut werden, um die Farben zu messen. (Bild: K. Selsam, Fraunhofer ISC)

Forscher haben Farbsensoren entwickelt, die sich direkt auf Chipebene realisieren lassen. Sie kombinieren viele Funktionen auf kleinem Raum und sind vor allem für mobile Geräte interessant.

Damit Displays oder LEDs 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 der Einfallswinkel des Lichts. Um unerwünschte Winkel und damit Farbfehler zu vermeiden, werden in herkömmlichen Sensoren makroskopische Elemente eingesetzt, um die Filtergenauigkeit zu verbessern. Allerdings wird damit der gesamte Aufbau deutlich vergrößert.

Um viele Funktionen auf kleinstem Raum zu vereinen, arbeiten Forscher der Fraunhofer-Institute IIS und ISC im Projekt FOWINA an einer All-in-one-Lösung: Auf dem Farbsensorchip werden Farbfilterstrukturen, Winkelfilter zur Steuerung des Lichteinfalls, Auswertelektronik zur Signalverarbeitung und Photodioden zur Umwandlung des Lichts in Strom integriert. Durch ihren sehr kompakten Aufbau sind die Farbsensoren sehr flach. Damit lassen sie sich in Kameras oder Smartphones einsetzen.

Sensor-Chip mit nanoplasmonischen Farbfilter

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 Sensor-Chip einschließlich der nanoplasmonischen Farbfilter. Diese können kostengünstig im CMOS- (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-) Prozess zusammen mit Photodioden und der Auswerteelektronik mit nur einer einzigen Technik 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, Wissenschaftler am 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.

Dem Fraunhofer ISC ist es im Projek gelungen, mithilfe von mikrooptischen Strukturen den Einfallswinkel des Lichts auf einen Bereich von ±10 Grad einzugrenzen, sodass eine bestmögliche Farbfilterung erfolgt. Damit lässt sich beispielsweise 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 sehr hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität auszeichnet und sich durch Modifikation der molekularen Struktur einfach an spezifische Anforderungen anpassen lässt.

Aktuelle arbeiten die Forscher aus beiden Instituten daran, den Entwicklungs- und Herstellungsprozess weiter zu optimieren. Damit soll die Herstellung auf einen industriellen Maßstab möglich sein.

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