18.02.2019 • Chiptechnologie

Phosphoreszenzsensor auf einem Chip

Blaues, moduliertes OLED-Licht regt Marker an.

Im Zuge der Digitalisierung und immer umfassenderen Überwachung von Prozessen, automatisierten Arbeits­abläufen, auch in Biomedizin und Umwelt, ist die Auswahl an Sensoren fast unermesslich groß und wird immer mehr auf den ganz konkreten Anwendungs­fall angepasst. Je nach Anforderung und Parametern, wie dem zu detektie­renden Stoff oder Objekt, der Ansprech- und Reaktions­zeit, dem Empfindlich­keits­bereich, Anschluss- und Gesamt­system oder der Lebensdauer, gilt es die richtige Kombination zu finden.

Abb.: Prototyp des miniaturisierten Phosphoreszenzsensors. (Bild: C. Jacquemin,...
Abb.: Prototyp des miniaturisierten Phosphoreszenzsensors. (Bild: C. Jacquemin, Fh.-FEP)

Betrachtet man allein die Klasse der Sauerstoff­sensoren, so gibt es am Markt viele ampero­metrische Sensoren, die große Temperatur­bereiche abdecken können, aber schwierig zu miniaturisieren und nur auf bestimmte Messpunkte beschränkt sind. Optischen Sensoren, wie beispielsweise Phosphoreszenz­sensoren, überwinden solche Hürden. Sie sind beliebte Alternativen durch ihre einfache Handhabung und Integrations­fähigkeit in bestehende Systeme. Die geringe Stör­anfällig­keit und einfache Wartung der meisten Geräte überzeugt die Anwender schnell.

Das Fraunhofer-FEP besitzt eine langjährige Expertise in der Entwicklung und Fertigung hoch­integrierter elektro­optischer Bauelemente basierend auf der OLED-auf-Silizium-Technologie. Diese ist für die Realisierung hoch­auf­lösender Mikro­displays für AR- und VR- Brillen etabliert und wird nun immer stärker für optische Sensor­lösungen weiter­entwickelt.

So entstanden bereits optische Fingerprint-Sensoren durch die Verschmelzung von Display und Bildsensor in einem bi-direktionalen OLED-Mikro­display: Neben der Display­funktion dienen die Display­pixel als smarte Beleuchtung des aufliegenden Fingers, dessen Strukturen über die eingebetteten Photodioden detektiert werden.

Jetzt gingen die Forscher weiter und entwickelten einen miniaturi­sierten Phosphoreszenz­sensor. In diesem Sensor wird ein Marker durch blaues, moduliertes OLED-Licht angeregt und die Phosphoreszenz­antwort innerhalb des Sensorchips direkt detektiert. Der Marker bestimmt hierbei den zu messenden Stoff. Eine typische Anwendung ist die Messung der Sauerstoff­konzentration.

Warum nicht auf kommerzielle Sensoren zurückgreifen? Die Herausforderung lag in der Konzeption eines extrem kleinen Sensors, der alle Funktiona­litäten vereint und durch die geringe Größe perspektivisch preis­günstig gefertigt werden kann. Hierfür wurden die OLED-Ansteuerung und das Sensor-Frontend in den Siliziumchip integriert und unter­schiedliche Anordnungen von Anregungs- und Detektions­bereichen untersucht. Entstanden ist in erster Stufe nun ein miniaturisierter Phosphoreszenz­sensor. Dieser ist gerade daumen­nagel­groß und kombiniert Marker und Sensor in einem einzigen Bauelement. Er besteht aus einer blauen OLED, die gemeinsam mit einem kommerziell verfügbaren Marker auf dem Siliziumchip integriert ist.

„Momentan ist der Sensor auf die Detektion von Sauerstoff­veränderungen ausgelegt. Mit diesem ersten Aufbau haben wir den Funktions­nachweis des Bauelementes erreicht und können den miniaturi­sierten Sensorchip für Sauerstoff­messungen in Gasen einsetzen. Darüber hinaus sehen wir den Sensorchip als Plattform für zukünftige Entwicklungen, beispielsweise die Messung weiterer Parameter oder den Einsatz in anderen Umgebungs­bedingungen“, erläutert Karsten Fehse, Projektleiter in der Gruppe Organic Micro­electronic Devices am Fraunhofer-FEP.

Der aktuelle Sensor emittiert auf einer Fläche von etwa  4,7 mm × 2,2 mm blaues Licht für die Anregung des sauerstoff­sensitiven Markers. Die Abklingzeit des emittierten Markerl­ichts ist ein Parameter für die Sauerstoffkonzentration der Umgebung. Das deutlich geringere Phosphoreszenz­signal wird über integrierte Silizium-Photodioden aufgenommen, im Chip lokal verstärkt und anschließend hinsichtlich der Phasenverschiebung zum Erreger­signal bewertet. Perspektivisch soll der Chip noch deutlich verkleinert werden, das Ziel ist eine Gesamt­chip­größe von weniger als 2 mm × 2 mm.

Durch die Vorteile des innovativen Phosphoreszenz­sensors – der geringen Baugröße, der Vereinigung von Marker und Sensor auf einem Chip sowie der schnellen und genauen Auswertung der Daten – sehen die Forscher weitere Anwendungsbereiche, in denen das Sensor­konzept zum Einsatz kommen soll. Die Überwachung und Auswertung von Zell­kulturen in sehr kleinen Einweg­kultur­gefäßen oder in Bioreaktoren ist hierfür ein interessantes Anwendungs­beispiel. Single-Use-Bioreaktoren bieten meist nur kleinsten Bauraum und eine begrenzte Anzahl an Ports, über die Messsysteme angeschlossen werden können. Zukünftig soll das Sensorsystem in Richtung Multi­parameter­messung weiterentwickelt werden. Auch das Monitoring von Flüssig­keiten nach dem Füllprozess im Bereich der Pharmazie in Blistern oder zur Qualitätskontrolle von sauerstoff­empfindlichen Arznei­mitteln ist denkbar.

Fh.-FEP / RK

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