Fachartikel aus MECHATRONIK 3-4/2011, S. 48 bis 51

Nanostrukturen mit Hilfe von CMoS-Prozessen.

Multispektral- und Polarisationssensoren in CMOS-Technologie

Konventionelle optische Sensoren benötigen zur spektral- und polarisationsselektiven Detektion zusätzliche optische Bauelemente. Der vorliegende Beitrag stellt dagegen ein Konzept vor, bei dem diese filternde Wirkung durch optische Nanostrukturen wie beispielsweise Subwellenlän- gengitter erzielt wird, die direkt in den Metallschichten eines CMOS-Prozesses erzeugt werden. Auf diese Weise entstehen Hybridelemente aus filternden Nanostrukturen und Photodioden mit neuer optischer Funktionalität („More than Moore“).

Basierend auf diesem Konzept wurden Nanostrukturen entworfen, simuliert und als Testchip mit Hilfe eines 0,18 μm-CMOS- Prozesses realisiert. Die Messungen der spektralen Empfindlichkeit zeigen spektral selektive Effekte und für Gitterstrukturen eine ausgeprägte Polarisationsabhängigkeit. Dieses Sensorprinzip kann für Einzelsensoren, aber auch für die Pixel von Bildsensoren angewendet werden. Auf Grundlage eines derartigen Bildsensors wurde einePolarisationskamera realisiert und damit die Visualisierung der Spannungsdoppelbrechung demonstriert. Weitere Anwendungen dieses Sensors liegen im Bereich der Druck- technik, LED-Beleuchtung, Medizintechnik, industriellen Bildverarbeitung, Automobiltechnik und Sicherheitstechnik.

Hintergrund

Der Polarisationszustand des Lichtes ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, beinhaltet aber bei vielen Messobjekten eine ähnliche Fülle an Information wie die Farbe. Diese Tatsache machen sich viele optische Messverfahren zunutze, bei denen aber in fast allen Fällen zusätzliche Polarisationsfilter vor dem eigentlichen Sensor oder der verwendeten Kamera erforderlich sind.Ein häufig verwendetes Funktionsprinzip zur Realisierung von Polarisationsfiltern nutzen die so genannten Drahtgitterpolarisatoren. Diese Hertzschen Gitter bestehen aus parallel angeordneten Drähten und werden seit langem für Radio- und Mikrowellen eingesetzt, wo die Herstellung von Gittern mit einer Periode im Bereich der Wellenlänge und darunter einfach ist. Die Möglichkeiten moderner Strukturierungstechnologien erlauben inzwischen aber auch die Verwendung dieses Funktionsprinzips bis in den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes.

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