Nel progetto FOWINA, l'Istituto Fraunhofer per i circuiti integrati IIS di Erlangen e l'Istituto Fraunhofer per la ricerca sui silicati ISC di Würzburg hanno sviluppato nuovi sensori di colore con una speciale disposizione delle microlenti. I sensori possono essere realizzati direttamente sul chip e combinare più funzioni in un minimo di spazio. Il loro design estremamente sottile rende i sensori adatti a un'ampia gamma di applicazioni, come nei dispositivi mobili o nelle lampade a LED regolabili nel colore.

I sensori di colore sono utilizzati nei display, LED e altri dispositivi tecnologici per generare colori reali. La loro fabbricazione prevede l'uso di speciali strutture nanoplasmoniche. Queste strutture filtrano la luce incidente, consentendo solo a regioni precisamente definite dello spettro dei colori di raggiungere la superficie del rivelatore. La capacità di controllare l'angolo di incidenza è determinante per il corretto funzionamento dei filtri colore. I sensori convenzionali contengono elementi macroscopici per migliorare la precisione del filtro ed evitare colori non veri mascherando la luce ad angoli indesiderati, ma questi elementi aggiunti aumentano significativamente le dimensioni di costruzione del componente.

Sensori ultrasottili per fotocamere e smartphone

Per superare questo inconveniente, i due Istituti Fraunhofer che lavorano al progetto FOWINA, IIS e ISC, stanno sviluppando una soluzione all-in-one che combina più funzioni in un minimo di spazio. Strutture filtro colore, filtri angolari per regolare la luce incidente, circuiti di valutazione per l'elaborazione del segnale, e fotodiodi per convertire l'energia luminosa in energia elettrica sono tutti integrati nel chip del sensore di colore. Questo design estremamente compatto consente di costruire nuovi, sensori di colore ultrasottili da incorporare nelle fotocamere, smartphone, e molti altri prodotti. FOWINA è un progetto interno finanziato da Fraunhofer come parte del suo programma interno di ricerca orientata alle PMI. L'acronimo tedesco sta per "controllare lo spettro angolare dei sensori di colore nanostrutturati utilizzando elementi micro-ottici che modellano il raggio".

Oltre alla loro elevata scala di integrazione, che consente di racchiudere il massimo di funzioni su una piccola superficie, i nuovi sensori sono più facili e quindi meno costosi da fabbricare rispetto ai loro predecessori. Fraunhofer IIS è responsabile dello sviluppo del sensore IC, compresi i filtri colorati nanoplasmonici. Quest'ultimo può essere prodotto in modo economico insieme ai fotodiodi e ai circuiti di valutazione utilizzando lo stesso processo CMOS, ovvero una singola tecnologia.

Fraunhofer ISC è responsabile della fabbricazione degli array di microstrutture che fungono da elementi filtranti angolari nei sensori. "Utilizziamo la tecnica avanzata della polimerizzazione a due fotoni, che consente la creazione di quasi ogni tipo di microstruttura o superficie strutturata, " dice il dottor Sönke Steenhusen, un ricercatore presso Fraunhofer ISC. Per velocizzare il processo produttivo, Fraunhofer ISC utilizza la tecnologia nanoimprint, una tecnica litografica altamente precisa e collaudata sul campo, per replicare le microstrutture. Questo metodo consente anche di combinare diverse strutture sullo stesso substrato.

Limitazione dell'angolo della luce incidente

Nel corso del progetto FOWINA, Fraunhofer ISC ha ottenuto le migliori prestazioni possibili per il filtro del colore limitando l'angolo della luce incidente a un intervallo di tolleranza di +/-10 gradi utilizzando strutture micro-ottiche. Ciò consente il colore dei LED, Per esempio, da regolare attivamente. Un altro punto a favore è l'altissima precisione superficiale delle microlenti, che focalizzano la luce sui filtri colore in modo mirato. Il materiale utilizzato da Fraunhofer ISC per fabbricare gli array è uno speciale polimero ibrido inorganico-organico, che presenta un alto contenuto chimico, stabilità termica e meccanica e può essere facilmente adattato alle esigenze di applicazioni specifiche modificando la sua struttura molecolare.

I due istituti Fraunhofer che collaborano stanno attualmente ottimizzando i processi di progettazione e produzione per i sensori di colore, al fine di passare alle applicazioni industriali e, in un secondo momento, produzione in serie dei sensori.