Im Rahmen der Digitalisierung und der immer umfassenderen Überwachung von Prozessen, automatisierten Arbeitsabläufen in Chemie, Pharmazie, Biomedizin und Umwelt ist die Auswahl an Sensoren nahezu unermesslich und wird zunehmend an die jeweilige Anwendung angepasst. Je nach Anforderungen und Parametern, wie der zu detektierenden Substanz oder dem Objekt, der Reaktionszeit und dem Empfindlichkeitsbereich, muss der richtige Sensor gefunden werden. Die universelle optische Sensorplattform des Fraunhofer IPMS bietet in diesem Zusammenhang eine schnelle und einfach zu adaptierende Lösung.

Eine gängige Methode zur Messung von Materialeigenschaften (pH-Wert, Temperatur, Konzentration usw.) ist die Verwendung eines Sensormaterials, das seine optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration ändert. Wenn dieses Sensormaterial optisch zur Photolumineszenz angeregt und das emittierte Licht gemessen wird, kann man auf den Zustand des Sensormaterials und damit auf den ausgewählten Parameter schließen.

Zwei typische Szenarien für die Messung von Prozessparametern oder Konzentrationen sind der direkte Kontakt des Sensors mit dem Medium oder das Einbringen einer Sensorschicht in die Reaktionskammer und die Anregung und Auswahl über ein Glasfaserkabel zur externen Elektronik. Einige Sensorschichten können vor der Verwendung sterilisiert werden, was sie zu Einwegprodukten für biologische und medizinische Verfahren macht.

Diese optischen Sensoren sind beliebte Alternativen zu teurerer und größerer Messtechnik, die heute verfügbar ist. Sie bieten eine einfache Handhabung und Integration in bestehende Systeme. Weitere Vorteile sind ihre geringe Störanfälligkeit und einfache Wartung.

Technische Daten

Das Fraunhofer IPMS verfügt über ein umfangreiches Know-how in der Entwicklung von organischer Elektronik in Kombination mit CMOS-Design, Anwendersoftware und elektrischer Steuerung.

Mit Hilfe von organischen Leuchtdioden und einem speziell entwickelten CMOS-Backplane-Design wurde eine Sensorplattform für die optische Anregung und Auswahl der Sensorschichten realisiert. Auf den Chips befinden sich zwei OLED-Punkte sowie Fotodioden und die Steuer- und Ausleseelektronik für die Emission und Detektion von Licht. Die Emissionswellenlänge der Leuchtdioden kann im sichtbaren und angrenzenden Spektralbereich eingestellt werden und ermöglicht so die Anregung verschiedener Sensormaterialien für unterschiedliche Parametermessungen. Durch die Integration von Farbfiltern mit angepassten Eigenschaften in Abhängigkeit vom Farbstoff in der Sensorschicht kann der Sensorchip für eine breite Palette von Anwendungen und Kombinationen mit Sensormaterialien konzipiert werden und ist daher vielseitig einsetzbar.

Kundenspezifische Sensorplattform

Der Sensorchip hat drei große Fotodiodenfelder, die jeweils von Farbfiltern abgedeckt werden. Die optischen Eigenschaften der Farbfilter können je nach Anwendung gestaltet werden. Die Sensorschicht bestimmt die notwendigen spektralen Eigenschaften der Farbfilter und die Wellenlänge der OLED-Emission. Zum Beispiel haben die Farbstoffe, die zur Erkennung des pH-Werts und der Sauerstoffkonzentration verwendet werden, unterschiedliche Anregungswellenlängen und damit unterschiedliche Emissionswellenlängen. Die Farbfilter und die Anregungs-OLED des Sensors sind an den Farbstoff angepasst und daher sehr kompatibel mit der großen Anzahl von Sensorschichten kommerzieller Hersteller.

Diese Sensorplattform ist vielseitig und kann auch ohne die phosphoreszierenden Sensorschichten verwendet werden, um ein- oder mehrfarbige periodische Lichtsignale im Zeitverlauf auszuwerten. Die integrierten Photodioden und die variablen Filtereigenschaften ermöglichen eine breite Palette von Anwendungen für elektro-optische Messungen.