Wissenschaftler der Universität Siegen erforschen eine neuartige Sensortechnik für integrierte 3D-Kameras. Die Technologie wurde in Siegen entwickelt und verspricht kostengünstiger, kompakter und potenziell leistungsfähiger zu sein als herkömmliche Lösungen.
Dr.-Ing. habil. Andreas Bablich (Bild: Sascha Hüttenhain / Universität Siegen)
Was heute das Smartphone entsperrt, im Auto Leben schützen kann und morgen noch realistischere Kamerabilder liefert, ist oft nur wenige Millimeter groß: Moderne 3D-Bildsensoren. Forschende an der Universität Siegen haben einen neuartigen 3D-Sensor für integrierte Kameras entwickelt: den sogenannten Intrinsischen Photomischdetektor (IPD). Während für den Prototyp derzeit ein internationales Patentverfahren läuft, untersucht nun ein neues Forschungsprojekt unter Leitung von Dr.-Ing. habil. Andreas Bablich die praktischen Einsatzmöglichkeiten, das Herstellungsverfahren und die Leistungsfähigkeit des Sensors. Picasso heißt das Projekt, der Name steht für: Photoinduzierte Stromverstärkung und intrinsische Frequenzmischung für Entfernungsmesser, 3D-Bildsensoren und Systeme der nächsten Generation. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 430.000 Euro gefördert. Ziel ist es, die Grundlage für besonders kompakte und kostengünstigere 3D-Sensoren zu schaffen.
„Erste Tests lassen darauf schließen, dass unsere neuartigen Lichtsensoren nicht nur kleiner sind und mit weniger Elektronik auskommen, als herkömmliche Systeme – sondern dass sie noch dazu auch präziser und empfindlicher messen können“, sagt Bablich vom Lehrstuhl für Graphen-basierte Nanotechnologie der Universität Siegen. Wie viele moderne 3D-Sensoren arbeitet auch der neue Sensor nach dem Prinzip der sogenannten Lichtlaufzeitmessung respektive Time-of-Flight: Dabei wird Licht ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und anschließend wieder detektiert. Aus der Zeit, die das Licht für diesen Weg benötigt, lässt sich die Entfernung zum Objekt berechnen. Für eine besonders genaue Messung wird das empfangene Lichtsignal mit einem internen elektrischen Referenzsignal verglichen.
Material mit gezielten Kristalldefekten
Rasterelektronenmikroskopie Querschnittsbild eines IPD (Bild: Andreas Bablich, Peter Haring Bolívar, Maurice Müller, CC BY 4.0)
Entscheidender Unterschied des neuen Sensors zur bestehenden Technik: Der Signalvergleich erfolgt bei dem neuen 3D-Sensor direkt im Bauteil. Herkömmliche Sensoren benötigen für diesen Abgleich zusätzliche, komplexe Elektronik. Möglich wird das durch eine besondere Eigenschaft des verwendeten Halbleitermaterials. „Unsere Sensoren bestehen nicht aus perfekt geordneten Kristallen, sondern aus einem Material mit gezielten Kristalldefekten“, erklärt Bablich. Diese Unregelmäßigkeiten in der atomaren Struktur würden dafür sorgen, dass unterschiedliche Signale direkt im Sensor miteinander vermischt und verglichen werden können, so der Wissenschaftler weiter.
Signalvergleich erfolgt bei dem neuen 3D-Sensor direkt im Bauteil
Wie genau die neuartigen Sensoren optimal aufgebaut und hergestellt werden können, soll in den kommenden drei Jahren im Projekt Picasso untersucht werden. „Ein Sensor besteht aus verschiedenen nanometerdünnen Schichten, die systematisch zusammengefügt werden und jeweils unterschiedliche Eigenschaften besitzen“, erläutert Bablich. Wie die einzelnen Schichten aufgebaut sein müssen, wie sich diese auf atomarer Ebene zusammensetzen und wie dick sie beispielsweise sein sollten, um optimale elektro-optische Eigenschaften für den Sensor zu erzielen, möchten er und sein Team genauer unter die Lupe nehmen. Neben der Entwicklung solcher Sensorkonzepte soll mit Hilfe eines eigenen Messaufbaus auch die Leistungsfähigkeit der Sensoren evaluiert werden.
Gute Bedingungen für Sensorik-Forschung
5-Kammer Clusteranlage Typ Eleanore zur Niedertemperaturherstellung neuartiger 3D-Sensoren mittels Plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung. Die PECVD-Anlagentechnologie ermöglicht eine reproduzierbare und skalierbare IPD-Herstellung in Back-Endprozessen auf CMOS-Elektronik bei Temperaturen < 200°C. (Bild: Andreas Bablich, Maurice Müller)
Bablich, der kürzlich sein Büro im neuen Forschungszentrum INCYTE auf dem Adolf Reichwein-Campus der Universität Siegen bezogen hat, freut sich, dazu die innovative Forschungsinfrastruktur der dortigen Labore nutzen zu können: „Hier im INCYTE haben wir zukünftig ganz neue und bisher nicht dagewesene Möglichkeiten, um Sensoren und Sensormaterialien herzustellen“, sagt Bablich. Diese hochmoderne Infrastruktur im Rahmen ihres Projektes nutzen zu können, sei großartig.
Die Forschenden möchten mit dem Projekt einen wichtigen Schritt hin zu einer neuen Generation leistungsfähiger und kompakter 3D-Sensoren machen. Die Sensorik hat nach Einschätzung der Forschenden großes Potenzial für Anwendungen von der Unterhaltungselektronik bis zur Sicherheitstechnik.
Information zum Aufmacherbild des Beitrags: Prinzipschaubild zum Intrinsischen Photomischdetektor (IPD) aus amorphem Silizium (a-Si:H). Der Sensor ermöglicht auf Basis der Lichtlaufzeitmessung (Time-of-Flight) präzise und einfach Abstände zu messen, da er zwei optisch modulierte Signal im Sensor miteinander mischt. Das im Sensor intern erzeugte Mischsignal dient der Auswertung und Distanzbestimmung. (Bild: Andreas Bablich, Peter Haring Bolívar, Maurice Müller, CC BY 4.0)
Quelle: Universität Siegen
