Hochintegrierte optische Sensoren für Wearables, Smartphones und Smart Lighting

Das „Highly Integrated Optoelectronic Sensor-“ (HIOS-) Konsortium hat den weltweit ersten Licht­sensor mit voll­ständig inte­griertem optischen Stack entwickelt und auf den Markt gebracht. Der Sensor enthält mehrere Filter und Linsen sowie eine Blende und ersetzt so ver­schiedene diskrete Komponenten. Damit wurde das 4,3 Millionen Euro teure und mit 3 Millionen EUR im Rahmen der Horizon2020-Finanz­hilfe­verein­barung Nr. 720531 (Fast Track to Innovation) unter­stützte HIOS-Projekt zum vollen Erfolg. Die Ergebnisse aus HIOS ermöglichen dem Her­steller von Hochleistungs­sensoren und Projekt­koordinator ams und seinen Konsortial­partnern, den Prozess- und Maschinen­lieferanten APC, Boschman und Bühler, führend bei der Sensor­inte­gration zu bleiben und die Wett­bewerb­sfähigkeit in ihren jeweiligen Märkten zu steigern.

Menschen sind heutzutage überall von Sensoren umgeben: von Mobilgeräten über sogenannte Wearables bis hin zu Smart Homes, Büros und Autos. Dabei entwickelt sich die Sensor­funktionalität rasant weiter. So werden unsere Mobilgeräte immer intuitiver, Beleuchtungs­lösungen immer intelligenter und damit strom­sparender und in der Medizin­technik gelingen bahn­brechende Entwicklungen. Sensoren spielen deshalb eine Schlüsselrolle in vielen Anwendungen und Märkten, wie Mobilfunk, Consumer, Automobil und Industrie. Diese Bereiche haben eines gemein: sie haben hohe Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der Sensoren, wie zum Beispiel eine hoher Sensitivität bei niedrigem Strom­verbrauch, fordern aber gleichzeitig geringe Abmessungen und niedrigen Kosten. Dies führt jedoch dazu, dass die Integration des Sensors mit der Elektronik und anderen System­komponenten unabdingbar ist, und das Gesamt­system damit sehr komplex sein kann.

Das  (HIOS-) Konsortium behandelte die Notwendigkeit, Innovation auf dem wachsenden Markt für intelligente Licht­sensoren in Kooperation zusammen­zuführen. Das Ergebnis dieser Entwicklungs­bemühungen ist der weltweit erste Lichtsensor mit vollständig integriertem optischem Aufbau, der mehrere Filter und eine Apertur enthält, und damit mehrere diskrete Komponenten ersetzt. Der im HIOS-Projekt entwickelte Sensor in 3D-Technologie, auf Basis von IC-Filter und Wafer Level Optics-Integrations­technologie, wird voraus­sichtlich weitere kosteneffiziente, extrem kleine und leistungs­starke Sensoren ermöglichen. ams erstellte eine hoch­volumige Produktions­umgebung für die 3D / Through Silicon Via (TSV) Prozess­technologie, die nun um Geräte und Verfahren für anorganische optische On-Chip-Filter und das Spritzpress-Verfahren („Molding“) auf Wafer­ebene erweitert wurde, um optische On-Chip-Komponenten zu herzu­stellen.

Das ehrgeizige Ziel von HIOS war es, eine industrie­weit führende Klasse neuer optischer Sensor­produkte zu entwickeln, die eine höchst­mögliche Integration von Komponenten und Minia­turisierung bieten. Ausgehend von dem anfänglichen Konzept für einen Umgebungs­licht­sensor konzentrierte sich das Projekt darauf, die spätere Einführung eines Farbsensors als erreichbares Ziel zu ermöglichen. Um dieses gemeinsame Ziel zu erreichen, mussten alle Partner die Grenzen ihrer Fähigkeiten in ihren Bereichen erweitern und gleich­zeitig nahtlos zusammen­arbeiten. Bühler entwickelte und erweiterte neue Geräte für die Verarbeitung von optischen Interferenz­filtern und kündigte im Februar 2019 die neue Abscheidungs­maschine (Sputtertool) für die optische Hochleistungs­beschichtung, HELIOS Gen II, an. Dies ist die neueste Version der äußerst erfolg­reichen Sputter­Tools mit verbes­serter Schicht­verteilung und einem weiter­entwickelten partikel­armen Prozess. Neue Hardware und der sog. PARMS +Prozess ermög­lichten eine präzisere Spezifi­kation bei höherer Produk­tivität und Ausbeute. Boschman hat mit der Entwicklung von Spritzpress („Mold“) Maschinen und Verfahren für optische Packaging-Anwendungen, mit denen Diffusor­schichten, Linsen und Aperturen erzeugt werden können, ein neues Maß an Genauigkeit erreicht.

Alle diese Entwicklungen wurden wie geplant erfolgreich bei der Entwicklung und Herstellung der Umgebungs­lichtsensor-Familie von ams implementiert. Basierend auf der heraus­ragenden Qualität der Interferenz­filter, die in diesem Projekt entstanden sind, konnten neue Spektral­farb­sensorprodukte entwickelt werden, die Anwendungen für UV, sichtbare und infrarote Wellen­längen abdecken. Im Jahr 2018 wurde ein erstes Farb­sensor­produkt vorgestellt, das die ersten technischen Muster für eine minia­turisierte 18Kanal (3x6) Spektral­sensor­familie (AS7265x) darstellte. Aufgrund des großen Interesses an diesen neuen hochintegrierten Sensor­anwendungen hat ams im Januar 2019 den Farbsensor AS7341, ein 11-KanalSpektrometer für Spektral­identi­fizierungs- und Farbanpassungs­anwendungen, erfolgreich auf den Markt gebracht. Mit acht optischen Kanälen ermöglicht dieser Sensor neue spektrale Erkennungs­funktionen für mobile Geräte, die den gesamten sichtbaren Bereich von UV bis nahem Infrarot abdecken. Mit drei zusätz­lichen Kanälen für Clear, NIR und Flicker kann auch das Flimmern des Umgebungslichts bei 50 Hz oder 60 Hz genau bestimmt werden, um die Verzerrung der Umgebungs­licht­quellen zu minimieren.

Verena Vescoli, Senior Vice President R&D bei ams, sagte: „Dank der Horizon2020-Finan­zierung durch die Europäische Union und der hervor­ragenden Zusammen­arbeit aller Partner im HIOS-Konsortium konnten wir die Markt­innovation weitaus schneller vorantreiben, als dies sonst der Fall gewesen wäre. Dies ist ein groß­artiges Beispiel dafür, wie europäische Unter­nehmen zusammen­arbeiten können, um – von der Europäischen Union unter­stützt – auf dem Weltmarkt zu bestehen.“

ams / LK

Weitere Infos

• HIOS Highly Integrated Optoelectronic Sensor

Weitere Beiträge

• High precision optical filter based on magnetron sputtering (Jens‐Peter Biethan et al.: Vakuum Forschung Praxis 29(4), August 2017, p. 26; DOI: 10.1002/vipr.201700654)