Sauerstoff-Sensor arbeitet mit blauer OLED

| Redakteur: Hendrik Härter

Ein kleiner Phosphoreszenz-Sensor vereint auf kleiner Chipfläche Marker und Sensor.
Ein kleiner Phosphoreszenz-Sensor vereint auf kleiner Chipfläche Marker und Sensor. (Bild: Fraunhofer FEP)

Eine blaue OLED auf einem Silizium-Sensor detektiert Veränderungen von Sauerstoff bei Gasen. Künftig sollen Marker und Sensor auf einem Chip unterschiedliche Parameter messen können.

Am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickeln die Forscher seit Jahren Sensoren auf Grundlage der OLED-auf-Silizium-Technik. Nun gingen die Forscher weiter und entwickelten einen miniaturisierten Phosphoreszenz-Sensor. In diesem Sensor wird ein Marker durch blaues, moduliertes OLED-Licht angeregt und die Phosphoreszenz-Antwort 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? Ziel war es, einen sehr kleinen Sensor zu entwickeln, der alle Funktionalitäten vereint und sich durch die geringe Größe perspektivisch preisgünstig herstellen lässt. 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 ein miniaturisierter Phosphoreszenz-Sensor. Er besteht aus einer blauen OLED, die gemeinsam mit einem kommerziell verfügbaren Marker auf dem Siliziumchip integriert ist.

Veränderungen bei Sauerstoff in Gasen

„Momentan detektiert der Sensor Veränderungen bei Sauerstoff. 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, um weitere Parameter zu messen oder in anderen Umgebungsbedingungen“, erläutert Dr. Karsten Fehse, Projektleiter in der Gruppe Organic Microelectronic Devices.

Der aktuelle Sensor emittiert auf einer Fläche von ungefähr 4,7 mm x 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 eine Gesamtchipgröße von weniger als 2 mm x 2 mm.

Sensorsystem soll mehrere Parameter messen

Dank der geringen Baugröße, Vereinigung von Maker und Sensor auf einem Chip sowie der genauen Auswertung der Daten des 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. Für solche (Weiter-)Entwicklungen ist das Fraunhofer FEP sehr an Projekt-Partnerschaften interessiert.

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