Fraunhofer IIS und ISC Farbsensor – neu, flach, günstig

Mikrofarbsensor zur Integration auf Chip-Level
Mikrofarbsensor zur Integration auf Chip-Level

Das Fraunhofer IIS und ISC haben einen neuen Farbsensor entwickelt. Das Besondere daran: der kleine Vielkönner lässt sich direkt auf Chipebene realisieren und vereint mehrere Funktionen auf einem flachen Körper.

Damit Displays und 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 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.

Deswegen arbeiten die beiden Fraunhofer-Institute IIS (Institut für Integrierte Schaltungen) und ISC (Institut für Silicatforschung) im Projekt FOWINA an einer 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.

Mithilfe der mikrooptischen Strukturen lässt sich der Einfallswinkel des Lichts auf einen Bereich von +/-10 Grad eingrenzen. Damit lässt sich zum Beispiel die Farbe von LEDs aktiv nachregeln. Zudem bieten die Mikrolinsen eine sehr hohe Oberflächengenauigkeit, sodass das Licht gezielt auf die Farbfilter trifft. Durch ihren sehr kompakten Aufbau sind die neuartigen Farbsensoren ultraflach, sodass sie in vielen Produkten wie Kameras oder Handys eingesetzt werden können.

Neues Design und neue Werkstoffe

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 Technologie hergestellt werden.

Das Fraunhofer ISC fertigt Arrays von Mikrostrukturen, die als Winkelfilterelemente für die Sensoren wirken. Als Material für die Arrays nutzen die Forscher 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. 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.

Das Projekt »FOWINA – Formung des Winkelspektrums von Nanostruktur-Farbsensoren mit mikrooptischen Strahlführungselementen« wird im Programm »Mittelstandorientierte Eigenforschung« der Fraunhofer-Gesellschaft e.V. gefördert.