Neue CMOS-Bildsensoren erweitern Einsatzmöglichkeiten

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Fraunhofer Institut für Mikro- elektronische Schaltungen & Systeme

Anwendungen für UV-empfindliche Sensoren

Neben der verbesserten Empfindlichkeit von Bildsensoren im blauen Bereich des Spektrums, die für herkömmliche Anwendungen Vorteile hat, werden CMOS-Bildsensoren mit der neu entwickelten Schicht für viele weitere Anwendungen im technischen und wissenschaftlichen Bereich interessant. In einigen Fällen profitieren Anwendungen von einem erweiterten Spektralbereich der Detektoren, in anderen Fällen werden Untersuchungsmethoden erst durch die UV-Empfindlichkeit erschlossen.

In der Mikroskopie werden verschiedene Vorteile von UV-Strahlung ausgenutzt. Zum einen verbessert sich durch die geringere Wellenlänge die örtliche Auflösung, was zum Beispiel in der Halbleiterindustrie bei der Defektinspektion eingesetzt wird. Zum anderen werden Absorptionsunterschiede von Materialien ausgenutzt, die bei sichtbarem Licht keinen Kontrast erzeugen. In der Biologie können auf diese Weise Bestandteile von Zellen sichtbar gemacht werden.

In der Biologie werden außerdem häufig fluoreszente Proben untersucht. Diese Proben können entweder von sich aus fluoreszent sein oder werden durch einen fluoreszenten Farbstoff, der sich an interessante Teile der Probe anheftet fluoreszent gemacht werden. Die emittierten Wellenlängen der fluoreszenten Stoffe liegen teilweise im UV-Bereich.

Auch in der makroskopischen Welt haben UV-Bildsensoren vielfältige Anwendungsbereiche. Da UV-Licht eine stärkere Streuung an Defekten zeigt, können auf diese Weise Kratzer und Risse in Materialien leichter gefunden werden. Außerdem können verschiedene organische Materialien im UV-Licht unterschieden werden, die im sichtbaren Licht gleich aussehen. Auf diese Weise kann z.B. neuer Autolack von altem unterschieden werden. Wellenlängen im Bereich von 250 bis 320 nm (sog. UVC-Strahlung) treten bei intakter Ozon-Schicht nicht natürlich auf der Erde auf und können daher zur untergrundfreien Detektion von verschiedenen künstlichen Strahlungsquellen eingesetzt werden (Beispiel: Abgasstrahl von Triebwerken).

Auch in der Spektroskopie gibt es zahlreiche Anwendungen für UV-empfindliche Sensoren. In der optischen Emissionsspektroskopie wird mittels Hochspannung oder Laserbeschuss ein Plasmafunke einer Probe erzeugt. Das Licht dieses Plasmafunkens wird mittels einer Gitteroptik in seine Spektralanteile zerlegt und auf eine zeilenförmige Anordnung von optischen Sensoren projiziert, sodass jedes Detektorelement einem sehr kleinen Spektralbereich zuzuordnen ist. Aus dem Vorhandensein von bestimmten Spektrallinien kann auf Materialien zurückgeschlossen werden, die sich in der Probe befinden. Aus der Intensität kann außerdem eine quantitative Analyse der in der Probe enthaltenen Materialien durchgeführt werden. Viele der für die Charakterisierung der Proben wichtigen Spektrallinien liegen im UV-Bereich.

Bei einem anderen spektroskopischen Ansatz werden Proben nacheinander mit verschiedenen monochromen Wellenlängen beleuchtet. Wird das Licht einer bestimmten Wellenlänge stärker absorbiert, kann daraus ein Rückschluss auf das Vorhandensein eines bestimmten Materials in der Probe erfolgen. Setzt man in diesem Fall Bildsensoren ein, kann auch eine örtliche Bestimmung des Materials in der Probe geschehen. n

Literatur

[1] Zeskind, Benjamin J, Quantitative imaging of living cells by deep ultraviolet microscopy, http://hdl.handle.net/1721.1/38693

[2] http://www.vision-systems.com/articles/print/volume-11/issue-7/features/component-integration/uv-imaging-opens-new-applications.html

* F. Hochschulz, W. Brockherde, H. Vogt und U. Paschen: Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systems, 47057 Duisburg

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