Projekt erforscht neuartigen 3D-Sensor aus 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 der Universität Siegen haben einen völlig neuartigen 3D-Sensor für integrierte Kameras entwickelt – den „Intrinsischen Photomischdetektor“. Während für den Prototyp derzeit ein internationales Patentverfahren läuft, untersucht ein neues Forschungsprojekt unter Leitung von Dr.-Ing. habil. Andreas Bablich die praktischen Einsatzmöglichkeiten, das Herstellungsverfahren und die Leistungsfähigkeit des Sensors. Das Projekt mit dem Namen PICASSO 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 (engl.: „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.

Der entscheidende Unterschied des neuen Sensors zur bestehenden Technik: Während herkömmliche Sensoren für diesen Abgleich zusätzliche, komplexe Elektronik benötigen, geschieht der Signalvergleich beim neuen 3D-Sensor direkt im Bauteil. 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 sorgen dafür, dass unterschiedliche Signale direkt im Sensor miteinander vermischt und verglichen werden können.“

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“, erklärt 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 exakt evaluiert werden.

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 unseres Projektes nutzen zu können, ist großartig. Darauf freue ich mich sehr.“

Mit dem Projekt PICASSO („Photoinduzierte Stromverstärkung und intrinsische Frequenzmischung für Entfernungsmesser, 3D-Bildsensoren und Systeme der nächsten Generation“) wollen die Forschenden einen wichtigen Schritt hin zu einer neuen Generation leistungsfähiger, kompakter 3D-Sensoren machen – mit großem Potenzial für Anwendungen von der Unterhaltungselektronik bis zur Sicherheitstechnik.