Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelt seit Jahren Sensoren auf Grundlage der OLED-auf-Silizium-Technologie. Nun entwickelten die Forscher einen miniaturisierten Phosphoreszenzsensor, der auf kleinster Chipfläche Marker und Sensor vereint und perspektivisch preisgünstig gefertigt werden könnte.
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.
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 z. B. 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 Forschungsinstitut 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 sogenannten bi-direktionalen OLED-Mikrodisplay: Neben der Displayfunktion dienen die Displaypixel als smarte Beleuchtung des aufliegenden Fingers, dessen Strukturen über die eingebetteten Photodioden detektiert werden.
Nun 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.
Der aktuelle Sensor emittiert auf einer Fläche von ca. 4,7×2,2 mm blaues Licht für die Anregung des sauerstoffsensitiven Markers. Die Abklingzeit des emittierten Markerlichtes 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 deutlich verkleinert werden, das Ziel ist hierbei 2×2 mm Gesamtchipgröße. 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. jke
