Spektroskopie bis in den UV-Bereich

Neue Beschichtungstechnik für CCD- und CMOS-Sensoren

Während die Weiterentwicklung moderner Bildsensoren in vielen Bereichen große Sprünge macht, wurde ein Aspekt bislang wenig beachtet: die UV-Sensibilität. Dabei ist vor allem für die Analytik die Detektion von Licht im ultravioletten Spektralbereich ein entscheidendes Thema, bestimmt sie doch die Möglichkeiten und die Qualität in der Spektroskopie.

Speziell hierfür konstruierte Sensoren sind immer noch extrem teuer und teilweise auf UV-Licht beschränkt. Eine Alternative dazu bietet eine fluoreszierende Beschichtung, die bei UV-Bestrahlung sichtbares Licht abgibt. Der bisher übliche manuelle Auftrag erbringt jedoch nur ungleichmäßige Resultate und beschädigt oft den Sensor. Die Eureca Messtechnik GmbH, ein Experte für spezielle Sensorkonzepte, hat daher in einem dreijährigen Forschungsprojekt eine neue Möglichkeit zur kontrollierbaren Beschichtung entwickelt. Da das Verfahren UV-sensible Sensoren deutlich günstiger macht und damit der steigenden Nachfrage begegnet, wurde die Entwicklung auch vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert.

Herzstück der Technik ist Lumigen, das unter UV-Licht sichtbar grün fluoresziert und dadurch die eigentlich unsichtbare Strahlung für herkömmliche CCD- und CMOS-Sensoren erfassbar macht. Für hochwertige Anwendungen, wie zum Beispiel präzise Spektroskope, ist hierbei eine sehr homogene Beschichtung der lichtempfindlichen Sensoren notwendig, weshalb ein Auftrag von Hand nicht die notwendige Qualität bietet – zumal dabei die Gefahr besteht, dass Kontakte oder Oberflächen durch die Berührung Schaden nehmen.

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UV-Licht spielt in der Analytik, insbesondere in der Spektroskopie, eine wichtige Rolle, ist allerdings für herkömmliche CCD- und CMOS-Sensoren nicht sichtbar, weshalb bislang meist mit teuren Spezialsensoren gearbeitet werden muss. (Bild: Wikimedia Commons / gemeinfrei)

Homogene, in der Stärke reproduzierbare Beschichtung
Die von Eureca entwickelte Methode nutzt daher ein modifiziertes physical-vapour- deposition-Verfahren (PVD), das berührungslos funktioniert und reproduzierbare, einheitliche Schichtdicken liefert. Dazu wird zunächst das Deckglas des zu beschichtenden Bauteils in einem auf den jeweiligen Sensortypen ausgelegten, schonenden Verfahren entfernt und der Sensor selbst gereinigt. Anschließend wird er in einer Spezialhalterung in eine Vakuumkammer gebracht, in der dann das Lumigen während des Beschichtungsvorgangs auf der Sensoroberfläche homogen abgeschieden wird. Hiernach wird der Sensor unter Schutzgas je nach Vorgabe wieder mit einem Deckglas oder mit einer Schutzfolie versehen.

Über die Steuerung der jeweiligen Prozessparameter lässt sich die für die jeweilige Anwendung optimale Schicht herstellen. So führen zum Beispiel dickere Schichten zu einer größeren Streuung des einfallenden Lichtes und können dadurch zur Minderung von Interferenzen eingesetzt werden. „Ähnliches gilt auch für die Beschichtung von Mikrolinsen, bei denen die besondere Oberflächenbeschaffenheiten eine Herausforderung für eine gute und homogene Schicht darstellen”, erklärt Karsten Sengebusch, einer der Geschäftsführer von Eureca. Hierfür entwickelte das Unternehmen im Rahmen seiner Forschungen auch Methoden zum Analysieren der Schichten.

Eine fluoreszierende Beschichtung kann UV-Licht in sichtbares Licht umwandeln und so für Photosensoren messbar machen. Eureca Messtechnik hat jetzt eine Methode entwickelt, um eine entsprechende Lumigen-Schicht zuverlässig und vor allem homogen auf verschiedene Sensortypen aufzubringen. (Bild: Eureca Messtechnik)

UV-Licht bis 100 nm mit unterschiedlichen Sensoren erfassen
Generell erweitert die Behandlung den nutzbaren Spektralbereich von Photosensoren am unteren Ende von 450 nm auf 200 nm – unter Idealbedingungen sogar auf bis zu 100 nm. Oberhalb von 500 nm ist das Material dagegen nahezu transparent, so dass die Empfindlichkeit für Licht des sichtbaren und des Nah-Infrarot-Spektrums nur wenig beeinträchtigt wird. Die Lebensdauer der Beschichtung hängt vornehmlich von der Höhe der Strahlungsintensität, der Wellenlänge und den Temperaturen ab, denen sie ausgesetzt ist, sowie von der Expositionsdauer. Erfahrungen mit gängigen Spektrometern haben bereits gezeigt, dass bei den hier verwendeten kurzen Lichtbögen die Schicht problemlos mehrere Jahre hält.

Die UV-Sensitivierung per Lumigen eignet sich prinzipiell für verschiedene Arten von Sensoren, darunter auch Zeilensensoren oder Flächensensoren zur Analyse von Lasern. Für eine optimale optische Kopplung bieten sich Sensoren mit geeigneten Pixelgeometrien an, zum Beispiel längliche Pixel, wie sie häufig in Spektrometern zu finden sind. Die von Eureca entwickelte Beschichtungstechnologie funktioniert jedoch unabhängig von der Art und Geometrie des Sensors und läßt sich daher auf fast alle am Markt erhältlichen Typen anwenden.

Eureca hat bereits ein Sortiment unterschiedlicher Modelle mit Beschichtung im Angebot, auf Anfrage lassen sich aber auch andere Sensoren veredeln. Das Unternehmen will zudem – auch wenn die ZIM-Förderung inzwischen abgelaufen ist – künftig weiter in diesem Bereich forschen.

Christine Gaßel, freie Journalistin in München

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