In het FOWINA-project, het Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS in Erlangen en het Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC in Würzburg hebben nieuwe kleurensensoren ontwikkeld met een speciale microlens-opstelling. De sensoren kunnen direct op de chip worden gerealiseerd en combineren meerdere functies in een minimale ruimte. Hun extreem slanke ontwerp maakt de sensoren geschikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals in mobiele apparaten of in kleur verstelbare LED-lampen.

Kleursensoren worden gebruikt in displays, LED's en andere technische apparaten om echte kleuren te genereren. Hun fabricage omvat het gebruik van speciale nanoplasmonische structuren. Deze structuren filteren het invallende licht, waardoor alleen nauwkeurig gedefinieerde gebieden van het kleurenspectrum het detectoroppervlak kunnen bereiken. De mogelijkheid om de invalshoek te regelen is bepalend voor het correct functioneren van de kleurenfilters. Conventionele sensoren bevatten macroscopische elementen om de nauwkeurigheid van het filter te verbeteren en onware kleuren te voorkomen door licht uit ongewenste hoeken te maskeren, maar deze toegevoegde elementen vergroten de bouwgrootte van de component aanzienlijk.

Ultraslanke sensoren voor camera's en smartphones

Om dit nadeel te ondervangen, de twee Fraunhofer-instituten die aan het FOWINA-project werken, IIS en ISC, ontwikkelen een alles-in-één oplossing die meerdere functies combineert in een minimum aan ruimte. Kleurfilterstructuren, hoekfilters om het invallende licht te regelen, evaluatieschakelingen voor signaalverwerking, en fotodiodes om lichtenergie om te zetten in elektrische energie zijn allemaal geïntegreerd in de kleurensensorchip. Dit uiterst compacte ontwerp maakt het mogelijk om nieuwe, ultradunne kleurensensoren voor inbouw in camera's, smartphones, en vele andere producten. FOWINA is een intern project dat door Fraunhofer wordt gefinancierd als onderdeel van haar interne programma van MKB-gericht onderzoek. Het Duitse acroniem staat voor "het regelen van het hoekspectrum van nanogestructureerde kleurensensoren met behulp van micro-optische bundelvormende elementen."

Naast hun grote mate van integratie, waardoor een maximum aan functies op een klein oppervlak kan worden verpakt, de nieuwe sensoren zijn gemakkelijker en dus goedkoper te fabriceren dan hun voorgangers. Fraunhofer IIS is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van het sensor-IC, inclusief de nanoplasmonische kleurfilters. Deze laatste kan samen met de fotodiodes en evaluatieschakelingen kostenefficiënt worden vervaardigd met behulp van één en hetzelfde CMOS-proces, d.w.z. een enkele technologie.

Fraunhofer ISC is verantwoordelijk voor het vervaardigen van de reeksen microstructuren die dienen als hoekige filterelementen in de sensoren. "We gebruiken de geavanceerde techniek van twee-fotonpolymerisatie, waarmee bijna elk type microstructuur of gestructureerd oppervlak kan worden gemaakt, " zegt Dr. Sönke Steenhusen, een onderzoeker bij Fraunhofer ISC. Om het productieproces te versnellen, Fraunhofer ISC maakt gebruik van nano-imprinttechnologie - een zeer nauwkeurige en in de praktijk bewezen lithografische techniek - om de microstructuren te repliceren. Deze methode maakt het ook mogelijk om verschillende structuren op dezelfde ondergrond te combineren.

De hoek van invallend licht beperken

In de loop van het FOWINA-project, Fraunhofer ISC heeft de best mogelijke kleurfilterprestaties bereikt door de hoek van invallend licht te beperken tot een tolerantiebereik van +/- 10 graden met behulp van micro-optische structuren. Hierdoor kan de kleur van LED's, bijvoorbeeld, actief bij te sturen. Een ander pluspunt is de zeer hoge oppervlaktenauwkeurigheid van de microlenzen, die het licht gericht op de kleurfilters richten. Het materiaal dat door Fraunhofer ISC wordt gebruikt om de arrays te vervaardigen, is een speciaal anorganisch-organisch hybride polymeer, die een hoge chemische, thermische en mechanische stabiliteit en kan gemakkelijk worden aangepast aan de vereisten van specifieke toepassingen door de moleculaire structuur ervan te wijzigen.

De twee samenwerkende Fraunhofer-instituten optimaliseren momenteel de ontwerp- en fabricageprocessen voor de kleurensensoren, met het oog op opschaling naar industriële toepassingen en, op een latere datum, massaproductie van de sensoren.