В проекте FOWINA в Институте интегральных микросхем Fraunhofer IIS в Эрлангене и Институте силикатных исследований Fraunhofer ISC в Вюрцбурге были разработаны новые цветовые датчики со специальной микролинзой. Датчики могут быть реализованы непосредственно на микросхеме и объединить несколько функций в минимальном пространстве. Их чрезвычайно тонкая конструкция делает датчики подходящими для широкого спектра применений, таких как мобильные устройства или цветные светодиодные лампы.

Цветовые датчики используются в дисплеях, светодиодах и других технических устройствах для генерации истинных цветов. Их изготовление связано с использованием специальных наноплазменных структур. Эти структуры фильтруют падающий свет, позволяя только точно определенным областям цветового спектра достигать поверхности детектора. Способность контролировать угол падения является решающей для правильного функционирования цветных фильтров. Обычные датчики содержат макроскопические элементы для улучшения точности фильтра и предотвращения неправильных цветов путем маскировки света при нежелательных углах, но эти добавленные элементы значительно увеличивают размер сборки компонента.

Ультрачувствительные датчики для камер и смартфонов

Чтобы преодолеть этот недостаток, два института Фраунгофера, работающие над проектом FOWINA, IIS и ISC, разрабатывают решение «все-в-одном», которое сочетает в себе множество функций как минимум в пространстве. Структуры цветного фильтра, угловые фильтры для регулирования падающего света, схемы оценки для обработки сигналов и фотодиоды для преобразования световой энергии в электрическую энергию интегрированы в чип датчика цвета. Эта чрезвычайно компактная конструкция позволяет создавать новые, ультрадисперсные цветовые датчики для включения в камеры, смартфоны и многие другие продукты. FOWINA — это собственный проект, финансируемый Fraunhofer в рамках своей внутренней программы исследований, ориентированных на МСП. Немецкий аббревиатура означает «управление угловым спектром наноструктурированных цветовых датчиков с использованием микрооптических элементов формирования луча».

Как и их высокая степень интеграции, которая позволяет накладывать максимум функций на небольшую поверхность, новые датчики легче и дешевле изготавливать, чем их предшественники. Fraunhofer IIS отвечает за разработку сенсорной ИС, включая наноплазменные цветные фильтры. Последние могут быть изготовлены с высокой эффективностью вместе с фотодиодами и схемами оценки с использованием одного и того же CMOS-процесса, то есть единой технологии.

Fraunhofer ISC отвечает за изготовление массивов микроструктур, которые служат в качестве угловых фильтрующих элементов в датчиках. «Мы используем усовершенствованную технологию двухфотонной полимеризации, которая позволяет создавать практически любую микроструктуру или структурированную поверхность», — говорит д-р Sönke Steenhusen, научный сотрудник Fraunhofer ISC. Чтобы ускорить процесс производства, Fraunhofer ISC использует технологию наноимплексов — высокоточный и проверенный на практике литографический метод — для тиражирования микроструктур. Этот метод также позволяет комбинировать различные структуры на одном субстрате.

Ограничение угла падающего света

В ходе проекта FOWINA Fraunhofer ISC достигла наилучших характеристик цветового фильтра, ограничив угол падения света до диапазона допуска +/- 10 градусов с использованием микрооптических структур. Это позволяет, например, активно регулировать цвет светодиодов. Другим плюсом является очень высокая точность поверхности микролинз, которые целенаправленно фокусируют свет на цветных фильтрах. Материал, используемый Fraunhofer ISC для изготовления массивов, представляет собой специальный неорганически-органический гибридный полимер, который обладает высокой химической, термической и механической стабильностью и может быть легко адаптирован к требованиям конкретных применений путем изменения его молекулярной структуры.

Два сотрудничающих Fraunhofer Institutes в настоящее время оптимизируют процессы проектирования и производства для цветовых датчиков с целью расширения масштабов промышленного применения и, позднее, массового производства датчиков.

По материалам phys.org