В рамках проекта FOWINA Институт интегральных микросхем Фраунгофера IIS в Эрлангене и Институт исследований силикатов Фраунгофера ISC в Вюрцбурге разработали новые датчики цвета со специальным расположением микролинз. Датчики могут быть реализованы непосредственно на чипе и объединять несколько функций в минимальном пространстве. Их чрезвычайно тонкий дизайн делает датчики подходящими для широкого спектра применений, таких как мобильные устройства или регулируемые по цвету светодиодные лампы.

FOWINA — точные микроцветовые датчики для интеграции на уровне чипа. Фото: К. Сельсам, Фраунгофер МСК

Цветовые датчики используются в дисплеях, светодиодах и других технических устройствах для создания истинных цветов. Их изготовление предполагает использование специальных наноплазмонных структур. Эти структуры фильтруют падающий свет, позволяя только точно определенным областям цветового спектра достигать поверхности детектора. Возможность контролировать угол падения имеет решающее значение для правильного функционирования цветовых фильтров. Обычные датчики содержат макроскопические элементы, которые повышают точность фильтра и позволяют избежать неправильных цветов, маскируя свет под нежелательными углами, но эти добавленные элементы значительно увеличивают размер сборки компонента.

Ультратонкие датчики для камер и смартфонов

Чтобы преодолеть этот недостаток, два института Фраунгофера, работающие над проектом FOWINA, IIS и ISC, разрабатывают комплексное решение, объединяющее несколько функций в минимальном пространстве. Структуры цветовых фильтров, угловые фильтры для регулирования падающего света, схемы оценки для обработки сигналов и фотодиоды для преобразования энергии света в электрическую — все они встроены в микросхему цветового датчика. Этот чрезвычайно компактный дизайн позволяет создавать новые сверхтонкие цветные датчики для встраивания в камеры, смартфоны и многие другие продукты. FOWINA — это внутренний проект, финансируемый Fraunhofer в рамках его внутренней программы исследований, ориентированных на МСП. Немецкая аббревиатура расшифровывается как «управление угловым спектром наноструктурированных цветовых датчиков с использованием микрооптических элементов, формирующих луч».

Помимо высокой степени интеграции, которая позволяет упаковывать максимум функций на небольшую поверхность, новые датчики проще и, следовательно, дешевле в изготовлении, чем их предшественники. Fraunhofer IIS отвечает за разработку сенсорной ИС, включая наноплазмонные цветные фильтры. Последние могут производиться совместно с фотодиодами и схемами оценки, используя один и тот же процесс CMOS, то есть одну технологию.

Fraunhofer ISC отвечает за изготовление массивов микроструктур, которые служат в качестве угловых фильтрующих элементов в датчиках. «Мы используем продвинутую технику двухфотонной полимеризации, которая позволяет создавать практически любой тип микроструктуры или структурированной поверхности», — говорит доктор Сонке Стеенхузен, научный сотрудник Fraunhofer ISC. Чтобы ускорить производственный процесс, Fraunhofer ISC использует технологию наноимпринтинга — очень точную и проверенную на практике литографическую технику — для воспроизведения микроструктур. Этот метод также позволяет комбинировать различные структуры на одной подложке.

Ограничение угла падающего света

В ходе проекта FOWINA Fraunhofer ISC добился наилучшей производительности цветового фильтра, ограничив угол падающего света до диапазона допусков +/- 10 градусов, используя микрооптические структуры. Это позволяет, например, активно регулировать цвет светодиодов. Еще одним плюсом является очень высокая точность поверхности микролинз, которые целенаправленно фокусируют свет на цветных фильтрах. Материал, используемый Fraunhofer ISC для изготовления матриц, представляет собой специальный неорганический органический гибридный полимер, который проявляет высокую химическую, термическую и механическую стабильность и может быть легко адаптирован к требованиям конкретных применений путем изменения его молекулярной структуры.

Два сотрудничающих института Fraunhofer в настоящее время оптимизируют дизайн и производственные процессы для цветовых датчиков с целью расширения до промышленного применения и, позднее, для массового производства датчиков.

По материалам phys.org