18/08/2021
Door Ad Spijkers
Nieuwe sensor kan worden geïntegreerd in bestaande camerachips.
Zichtbaar licht wordt verstrooid door kleine waterdruppeltjes in de lucht. Dit effect speelt geen rol voor licht in het korte golf infrarood SWIR-bereik (Short-wave infrared ofwel SWIR). SWIR-camera's leveren beelden in grijswaarden, meestal haarscherp. De fotochips kunnen door regen, mist of nevel heen kijken. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen waarbij een goed zicht essentieel is, bijvoorbeeld voor autonoom rijdende auto's of luchtvaartveiligheid.
Chips
Conventionele silicium camerachips kunnen het SWIR-bereik maar in beperkte mate weergeven. Daar zijn speciale camera's voor, maar de hoge kosten verhinderen het dagelijks gebruik. Het gebruik van materialen die moeilijk aan te sluiten zijn op standaard siliciumcircuits, maakt de integratie in een chip complex en dus duur.
Onderzoekers van het Forschungszentrum Julich (15 km ten noordoosten van Aken) hebben samen met Italiaanse en Duitse collega's een goedkope infrarooddetector ontwikkeld die gemakkelijk en goedkoop op bestaande chips kan worden geïntegreerd.Door de keuze van legeringen en elementen die compatibel zijn met silicium, konden de onderzoekers relatief eenvoudige fabricageprocessen en standaard gereedschappen gebruiken. Zo konden ze goedkope camerachips ontwerpen die in elke smartphone, camera en voertuig kunnen worden ingebouwd.
Opbouw
De basis voor de nieuwe detector is een dunne laag silicium. Hierop worden lagen halfgeleidermaterialen afgezet die germanium en tin bevatten, die allemaal in dezelfde hoofdgroep in het periodiek systeem staan als silicium. De germanium-tin-halfgeleiders zijn ontwikkeld in Jülich. De halfgeleiderlagen kunnen met gevestigde technologie in elke chipfabriek worden opgebouwd. Dat maakt het mogelijk om ze goedkoop te vervaardigen en op bestaande chips te integreren.
Van de verschillende halfgeleiderlagen op fotochips voor digitale camera's kunnen bijvoorbeeld pixels worden gemaakt. Die kunnen vervolgens in verschillende delen van het infraroodspectrum dezelfde beelden maken. Hierdoor komen sommige objecten letterlijk in een ander licht te staan.
Bij schilderijen kunnen ze bijvoorbeeld door verflagen heen kijken en zien wat de kunstenaar eronder heeft geschilderd. Bepaalde inkten, die worden gebruikt als echtheidskenmerken voor bankbiljetten, lijken te verdwijnen wanneer ze worden bekeken onder IR-licht. De echtheid van de bankbiljetten kan met de nieuwe detector eenvoudig worden gecontroleerd.
Verschillende golflengten
Een bijzonder kenmerk van de detector is dat hij gevoelig is voor twee verschillende gebieden van het infraroodspectrum. De component kan overschakelen van nabij-infrarood (NIR) naar kortegolf-infrarood (SWIR). Op deze manier is het bijvoorbeeld mogelijk om onderscheid te maken tussen verschillende vloeistoffen en gassen die NIR- en SWIR-straling in verschillende mate absorberen.
Het onderzoeksteam kon dit aantonen aan de hand van isopropanol en tolueen. Met behulp van de schakelbare detector kunnen vloeistoffen die voor het menselijk oog kleurloos zijn, duidelijk worden onderscheiden. Dit is niet alleen handig voor toepassingen in het scheikundig laboratorium, maar ook interessant voor tal van andere toepassingen.
Foto: Forschungszentrum Jülich