I FOWINA-projektet, Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS i Erlangen och Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC i Würzburg har utvecklat nya färgsensorer med ett speciellt mikrolinsarrangemang. Sensorerna kan realiseras direkt på chipet och kombinerar flera funktioner på ett minimum av utrymme. Deras extremt tunna design gör sensorerna lämpliga för ett brett spektrum av applikationer, som i mobila enheter eller färgjusterbara LED-lampor.

Färgsensorer används i displayer, Lysdioder och andra tekniska enheter för att generera sanna färger. Deras tillverkning innebär användning av speciella nanoplasmoniska strukturer. Dessa strukturer filtrerar det infallande ljuset, tillåter endast exakt definierade områden av färgspektrumet att nå detektorytan. Möjligheten att kontrollera infallsvinkeln är avgörande för att färgfiltren ska fungera korrekt. Konventionella sensorer innehåller makroskopiska element för att förbättra filtrets noggrannhet och undvika osanna färger genom att maskera ljus i oönskade vinklar, men dessa tillagda element ökar avsevärt komponentens byggstorlek.

Ultratunna sensorer för kameror och smartphones

För att övervinna denna nackdel, de två Fraunhofer-instituten som arbetar med FOWINA-projektet, IIS och ISC, utvecklar en allt-i-ett-lösning som kombinerar flera funktioner på ett minimum av utrymme. Färgfilterstrukturer, vinkelfilter för att reglera det infallande ljuset, utvärderingskretsar för signalbehandling, och fotodioder för att omvandla ljusenergi till elektrisk energi är alla integrerade i färgsensorchipset. Denna extremt kompakta design gör det möjligt att bygga nya, ultratunna färgsensorer för inbyggnad i kameror, smartphones, och många andra produkter. FOWINA är ett internt projekt finansierat av Fraunhofer som en del av dess interna program för SME-orienterad forskning. Den tyska akronymen står för "kontroll av vinkelspektrumet för nanostrukturerade färgsensorer med hjälp av mikrooptiska strålformande element."

Förutom deras höga integrationsgrad, som tillåter maximalt antal funktioner att packas på en liten yta, de nya sensorerna är enklare och därmed billigare att tillverka än sina föregångare. Fraunhofer IIS ansvarar för utvecklingen av sensor-IC inklusive de nanoplasmoniska färgfiltren. Den senare kan tillverkas kostnadseffektivt tillsammans med fotodioderna och utvärderingskretsarna med en och samma CMOS-process, dvs en enda teknik.

Fraunhofer ISC är ansvarig för att tillverka de mikrostrukturer som fungerar som vinkelfilterelementen i sensorerna. "Vi använder den avancerade tekniken för två-fotonpolymerisation, som möjliggör skapandet av nästan vilken typ av mikrostruktur eller strukturerad yta som helst, säger Dr. Sönke Steenhusen, en forskare vid Fraunhofer ISC. För att påskynda tillverkningsprocessen, Fraunhofer ISC använder nanoimprint-teknologi – en mycket exakt och fältbeprövad litografisk teknik – för att replikera mikrostrukturerna. Denna metod tillåter också att olika strukturer kombineras på samma substrat.

Begränsning av vinkeln för infallande ljus

Under FOWINA-projektet, Fraunhofer ISC har uppnått bästa möjliga färgfilterprestanda genom att begränsa vinkeln för infallande ljus till ett toleransintervall på +/-10 grader med hjälp av mikrooptiska strukturer. Detta möjliggör färgen på lysdioder, till exempel, att aktivt anpassas. En annan pluspunkt är den mycket höga ytnoggrannheten hos mikrolinserna, som fokuserar ljuset på färgfiltren på ett målinriktat sätt. Materialet som används av Fraunhofer ISC för att tillverka arrayerna är en speciell oorganisk-organisk hybridpolymer, som uppvisar höga kemikalier, termisk och mekanisk stabilitet och kan enkelt anpassas till specifika applikationers krav genom att modifiera dess molekylära struktur.

De två samverkande Fraunhofer-instituten optimerar för närvarande design- och tillverkningsprocesserna för färgsensorerna, i syfte att skala upp till industriella tillämpningar och, vid ett senare datum, massproduktion av sensorerna.