Miniaturisierte Optische Spektrometer

Aufgrund hoher Preise kommen derzeit Sensoren, die mehr als sechs spektrale Kanäle aufweisen, kaum zum Einsatz. Sie finden in preissensitiven Anwendungsbereichen, wie beispielsweise in mobilen Consumer-Produkten, der Aufnahme von Feld- und Ackerpflanzen oder auch bei Kosmetik- und Nahrungsprodukten selten Verwendung. Die von unserer Gruppe »Optische Sensorsysteme« entwickelte nanoSPECTRAL-Technologie ermöglicht nun eine sehr kostengünstige Herstellung der benötigten optischen Filter.

Hierbei bleiben insbesondere, unabhängig von der Anzahl der zu realisierenden spektralen Kanäle, die Produktionskosten praktisch konstant. Erreicht wird dies durch die Strukturierung von Metallschichten des CMOS-Halbleiterprozesses. Für diese optischen Nanostrukturen werden also im Gegensatz zu konventionellen optischen Filtern wie z. B. Dünnschichtfiltern keine weiteren Schritte (z. B. Aufbringen der Filter) benötigt.

Aufgrund der CMOS-Integration von Filtern, Photodioden, analoger und digitaler Signalverarbeitung ermöglicht unsere nanoSPECTRAL-Technologie hochintegrierte, monolithische Sensoren. Da die Technologie in zwei kommerziellen CMOS-Foundries etabliert wird, sind zukünftig darauf basierende Produkte in industrieller Qualität verfügbar.

Das Chip-Size-Spektrometer weist bereits mehr als 30 Kanäle auf und ist damit z. B. für die Analyse von Nahrungsmitteln, Umweltanalytik und Smart Lighting geeignet. Je nach Anwendungsfall ist es möglich, die Anzahl der spektralen Kanäle zu erhöhen sowie die Wellenlänge der Kanäle anzupassen.

Ein weiterer Anwendungsfall für kostengünstige Multispektralsensoren wird im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt INFIMEDAR untersucht. Ziel des Projekts ist es, den Pflanzenzustand auf dem Feld zu bestimmen und durch zielgerichteten Einsatz die Menge von Mitteln zur Unkrautvernichtung wie Herbiziden zu reduzieren. Wir sind hierbei mit Design und Simulation der spektralen Eigenschaften der Filter und dem Chipdesign des Sensor-IC sowie der optischen Charakterisierung der realisierten Multispektralsensoren am Projekt beteiligt.