Dans le projet FOWINA, l'Institut Fraunhofer pour les circuits intégrés IIS à Erlangen et l'Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silices ISC à Würzburg ont développé de nouveaux capteurs de couleur avec un agencement spécial de microlentilles. Les capteurs peuvent être réalisés directement sur la puce et combiner de multiples fonctions dans un minimum d'espace. Leur conception extrêmement mince rend les capteurs adaptés à une large gamme d'applications, comme dans les appareils mobiles ou les lampes LED à couleur réglable.

Des capteurs de couleur sont utilisés dans les écrans, LED et autres appareils technologiques pour générer de vraies couleurs. Leur fabrication implique l'utilisation de structures nanoplasmoniques spéciales. Ces structures filtrent la lumière incidente, permettant uniquement à des régions précisément définies du spectre de couleurs d'atteindre la surface du détecteur. La possibilité de contrôler l'angle d'incidence est déterminante pour le bon fonctionnement des filtres de couleur. Les capteurs conventionnels contiennent des éléments macroscopiques pour améliorer la précision du filtre et éviter les fausses couleurs en masquant la lumière aux angles indésirables, mais ces éléments ajoutés augmentent considérablement la taille de construction du composant.

Capteurs ultra-fins pour appareils photo et smartphones

Pour pallier cet inconvénient, les deux instituts Fraunhofer travaillant sur le projet FOWINA, IIS et ISC, développent une solution tout-en-un qui combine plusieurs fonctions dans un minimum d'espace. Structures de filtre couleur, filtres angulaires pour réguler la lumière incidente, circuits d'évaluation pour le traitement du signal, et des photodiodes pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique sont toutes intégrées dans la puce du capteur de couleur. Cette conception extrêmement compacte permet de construire de nouveaux, capteurs de couleur ultrafins à intégrer dans les caméras, smartphone, et bien d'autres produits. FOWINA est un projet interne financé par Fraunhofer dans le cadre de son programme interne de recherche orientée PME. L'acronyme allemand signifie "contrôler le spectre angulaire des capteurs de couleur nanostructurés à l'aide d'éléments de mise en forme de faisceau micro-optique".

Outre leur grande intégration, qui permet de regrouper un maximum de fonctions sur une petite surface, les nouveaux capteurs sont plus faciles et donc moins coûteux à fabriquer que leurs prédécesseurs. Fraunhofer IIS est responsable du développement du circuit intégré du capteur, y compris les filtres de couleur nanoplasmoniques. Ces derniers peuvent être fabriqués à moindre coût avec les photodiodes et les circuits d'évaluation en utilisant un seul et même procédé CMOS, c'est-à-dire une seule technologie.

Fraunhofer ISC est responsable de la fabrication des réseaux de microstructures qui servent d'éléments filtrants angulaires dans les capteurs. "Nous utilisons la technique avancée de polymérisation à deux photons, qui permet la création de presque tout type de microstructure ou de surface structurée, " dit le Dr Sönke Steenhusen, chercheur à Fraunhofer ISC. Pour accélérer le processus de fabrication, Fraunhofer ISC utilise la technologie de nanoimpression - une technique lithographique très précise et éprouvée sur le terrain - pour reproduire les microstructures. Cette méthode permet également de combiner différentes structures sur un même substrat.

Restreindre l'angle de la lumière incidente

Dans le cadre du projet FOWINA, Fraunhofer ISC a obtenu les meilleures performances de filtre de couleur possibles en limitant l'angle de la lumière incidente à une plage de tolérance de +/-10 degrés à l'aide de structures micro-optiques. Cela permet la couleur des LED, par exemple, être activement ajusté. Un autre point positif est la très grande précision de surface des microlentilles, qui focalisent la lumière sur les filtres de couleur de manière ciblée. Le matériau utilisé par Fraunhofer ISC pour fabriquer les matrices est un polymère hybride inorganique-organique spécial, qui présente des produits chimiques élevés, stabilité thermique et mécanique et peut être facilement adapté aux exigences d'applications spécifiques en modifiant sa structure moléculaire.

Les deux instituts Fraunhofer qui collaborent optimisent actuellement les processus de conception et de fabrication des capteurs de couleur, en vue de la mise à l'échelle des applications industrielles et, à une date ultérieure, production en série des capteurs.