Ziel der Entwicklung
Der Lichteinfallswinkel ist für viele Anwendungen eine relevante Regelgröße. Dazu zählen beispielweise nachgeführte Solarenergiesysteme, Verschattungsanlagen in Gebäuden oder die einstrahlungsgerechte Regelung von Klimaanlagen in Personenkraftwagen. Hinzu kommen neue Anwendungen aus dem Bereich tragbarer Sensorsysteme (weareables), insbesondere für Endanwendungen wie zum Beispiel das Erkennen und Warnen von herannahenden Fahrzeugen oder für einfache Systeme zur Abstandserkennung einer Lichtquelle. Bei den bisherigen Lösungen wird ein verhältnismäßig hoher Aufwand für die sensorische Erfassung des Lichteinfallswinkels betrieben. In einigen Lösungen werden beispielsweise ein verschattendes Gitter oder andere Schattenmasken über dem Detektor montiert und mithilfe eines Photodiodenarrays die Schattenposition erfasst. Andere Lösungen basieren auf einer zusätzlich montierten Sammellinse über einem Photodiodenarray, wobei die Position des hellsten Lichtflecks als Maß für den Lichteinfallswinkel verwendet wird. Eine dritte etablierte Lösung ist die Montage mehrerer Photodioden auf einem 3D-strukturierten Sockel, wodurch die Photodioden das Licht aus verschiedenen Einfallsrichtungen unterschiedlich sensitiv erfassen. Ziel dieses Entwicklungsprojektes war es, einen äußerst kompakten Sensor zu realisieren, der ohne zusätzliche Elemente, wie Schattengitter oder Linsen, als auch mit geläufigen Montagetechniken, also ohne 3D-Sockel, auskommt. Diese bietet Zugang zu sehr viel kompakteren Lösungen als auch signifikante Kostenvorteile.
Vorteile und Lösungen
Der Lösungsansatz basiert auf dem oben beschriebenen Ansatz zur Anordnung einzelner Fotodioden auf einem 3D-Grundkörper. Hier werden die Fotodioden monolithisch, das bedeutet in ein und demselben Silizium-Chip, realisiert. Dadurch wird auf einen strukturierten Träger verzichtet und Standardtechniken zur Chipmontage genutzt. Die Lösung wurde erreicht, indem die Flanken nasschemisch geätzter Kavitäten mit einzelnen fotoaktiven Gebieten versehen wurden. Die Herausforderung und der Entwicklungsschwerpunkt dabei ist die Prozesstechnologie, bei der fotolithographisch erzeugte Strukturen über sehr große Höhenunterschiede von mehreren 100 Mikrometern und ohne Fehlbelichtung durch unvermeidbare Reflexionen an den Strukturkanten bei der Belichtung erreicht werden. Durch fotolithografische Herstellungsverfahren ist der Sensor in sich höchst präzise. Die Positionsgenauigkeit der einzelnen Fotodioden liegt im Bereich weniger Mikrometer. Die Neigungswinkel der aktiven Gebiete sind auf deutlich unter einem Grad exakt definiert. Im Vergleich zu den hybrid montierten Alternativen kann damit die Genauigkeit um mindestens eine Größenordnung verbessert werden, ohne dabei auf komplexe Montageabläufe zurückgreifen zu müssen. Mithilfe der entwickelten Technologie wurden verschieden große Demonstratoren realisiert. Der kleinste mit nur ein Millimeter Kantenlänge ermöglicht die Bestimmung des Lichteinfallswinkels im nahezu vollständigen Halbraumwinkel mit weniger als zwei Grad Unsicherheit.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der Sensor kann überall dort zum Einsatz kommen, wo der Lichteinfallswinkel eine entscheidende Rolle spielt. Dazu zählen Solarenergiesysteme mit Nachführung und Verschattungselemente, beispielsweise in Fassaden. Ebenfalls die Helligkeitsregelung von Displays oder die einstrahlungskompensierte Klimaregelung, zum Beispiel in Personenkraftwagen, sind weitere Einsatzbereiche. In den letzten Jahren zeigten zudem aus dem Feld der mobilen Endanwender-Elektronik, beispielsweise in wearables oder Smartphones, ein zunehmendes Interesse. Hier könnten solche Sensoren zum Beispiel in ein Warnsystem für herannahende Fahrzeuge oder als unterstützender Sensor für eine Abstandsmessung eingehen.
Aufgrund der sehr kleinen Bauform profitieren die Systementwickler und Anwender zum einen von kompakterer Bauform, zum anderen auch von signifikant sinkenden Kosten. Das Siliziumbauteil kann bereits in der zum Projektende vorliegenden Form für weniger als ein Euro pro Chip gefertigt werden. Dabei wurden die Grenzen des erreichbaren Miniaturisierungsgrades experimentell noch nicht ausgelotet. In aktuell laufenden Anschlussvorhaben werden gemeinsam mit Industriepartnern erste Lösungen zur Regelung von Verschattungselementen in Gebäudefassaden entwickelt.
