Wetenschappers van de Technische Universität München hebben een nieuwe generatie beeldsensoren ontwikkeld: ze zijn wellicht gevoeliger dan de gebruikelijke siliciumsensoren, terwijl de productie goedkoper en eenvoudiger is. Ze bestaan uit elektrisch geleidende kunststoffen, die als flinterdunne film wordt opgespoten. De chemische samenstelling van de kunststof laag kan bovendien gericht worden veranderd, zodat ook onzichtbare gebieden van het lichtspel kunnen worden gebruikt. De volgende stap: goedkope infrarood licht sensoren voor compacte camera’s of de smartphones (Nature Communications).
Beeldsensoren zijn de kern van elke digitale camera. Voordat een opname op de display verschijnt, zetten zij het licht uit het objectief om in elektrische signalen. Daaruit berekent de beeldprocessor de kant-en-klare foto.
Veel compacte camera’s werken met op silicium gebaseerde beeldsensoren, die met CMOS-Technologie (complementary metal oxide semiconductor) worden vervaardigd.
Prof. Paolo Lugli en Dr. Daniela Baierl van de Technische Universiteit München (TUM) hebben een proces ontwikkeld om deze CMOS-sensoren op goedkope manier krachtiger te maken. Daarvoor gebruiken ze een flinterdunne film van organische verbindingen (kunststoffen). Deze kunststof wordt op het oppervlak van de beeldsensoren aangebracht.
De wetenschappers hebben rotatie- en spuitprocessen getest om de kunststof in de vloeibare, opgeloste vorm nauwkeurig en goedkoop op te brengen. De kunststof film van slechts enkele honderden nanometer dik moet onberispelijk zijn. De beste oplossing bleek de gespoten laag te zijn, aangebracht met een simpele kleurenspuit of een spuitrobot.
Krachtig: In de test hebben de organischen sensoren bewezen: Tot wel drie keer hogere lichtgevoeligheid ten opzichte van conventionele CMOS-sensoren (foto: A. Heddergott / TUM)
Dunne laag met hoger lichtgevoeligheid
In de testen hebben de organischen sensoren al hun superioriteit bewezen: ze zijn tot driemaal lichtgevoeliger dan de conventionele CMOS-sensoren, waarbij elektronische onderdelen een deel van de pixel en dus van de licht actieve siliciumoppervlakte afdekken.
Bij de productie van deze organische sensoren vervalt de gebruikelijke, dure nabewerking van de CMOS-sensor, zoals het aanbrengen van microlenzen voor de versterking van de lichtinval. Elke pixel wordt volledig, inclusief de elektronica, met de vloeibare kunststof oplossing bespoten en krijgt zo een 100% lichtgevoelige oppervlakte. Voor het gebruik in camera’s zijn de organische sensoren door hun lage ruis en hogere framesnelheid ook goed geschikt.
Potentie heel geschikt voor goedkope infraroodsensoren
Een ander voordeel van de kunststof sensor: afhankelijk van de gebruikte chemische verbindingen verandert het bereik van het lichtspectrum. Een mengsel van de polymere PCBM en P3HT is geschikt om zich bij licht op te vangen. Andere organische verbindingen zoals squarain kleurstoffen zijn erg gevoelig voor infrarood licht.
“Met geschikte organische verbindingen kunnen we nieuwe toepassingsgebieden openen waaraan tot nog toe hoge kosten waren verbonden”, verklaart prof. Paolo Lugli, die voorzitter is van de TUM-afdeling voor nano elektronica. “Met organische infrarood sensoren kunnen in de toekomst nachtzicht rij-assistenten worden uitgerust, maar ook gewoon de compact camera’s of telefoons. Momenteel ontbreken de geschikte polymeren nog op de markt”.
