iele Analyseverfahren in der Biomedizin und Medizintechnik sind heutzutage auf hochpreisige und unflexible Spektroskopielösungen angewiesen. Die Miniaturisierung solcher Systeme (Lab-on-a-Chip) würde in der bio-medizinischen Forschung und Medizintechnik eine kosteneffiziente Echtzeit-Sensorik vor Ort ermöglichen.
Dies motiviert die in SpektroChip angestrebte Entwicklung und Demonstration eines neuartigen Mikro-Spektrometersystems für den Nahinfrarot (NIR)-Bereich. Ausgangspunkt der Projektidee ist die Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart (IHT). Dort wurde ein Sensorchip mit einer Germanium-auf-Silizium (Ge-on-Si) Sensorzeile und einem Beugungsgitter entwickelt (siehe Bild oben). Im Projekt soll nun der im NIR-Bereich sensitive Chip in einen stark miniaturisierten Spektrometersystem-Aufbau.

zur quantitativen Analyse einer biomedizinischen Probe wie in Abbildung 1 angedeutet integriert werden. Als analytisches Werkzeug soll die Technologie der NIR-Spektroskopie genutzt werden. Das Vorhaben fokussiert sich besonders auf die Realisierung eines einfachen, kostengünstigen Systems, welches sich von den aktuell auf dem Markt stehenden hochpreisigen unflexiblen Lösungen abhebt und ein direktes automatisiertes Analysieren einer Probe erlaubt. Dabei sollen besonders aktuelle Sensoranwendungen, wie der „Vor-Ort“ Detektion, Lab-on-a-Chip Systeme und in-line Prozessmonitoring adressiert werden. Der optische Sensorchip basiert auf Ge-on-Si Photodioden, welche gegenüber den auf dem Markt im NIR-Bereich dominierenden Verbundhalbleiter-Detektoren (z.B aus Indiumgalliumarsenid) deutlich kostengünstiger sind, da sie mit der CMOS-Technologie kompatibel sind und damit ein viel größeres Miniaturisierungs- und Skalierungspotential mit sich bringen.

Allgemein Zukunftsthema „Bio medizintechnik am IMS“

Die Erfahrung aus verschiedenen Forschungsprojekten hat gezeigt, dass das zukunftsträchtige Thema der Biomedizintechnik vom Know-how und den Möglichkeiten der Mikroelektronik und der Nanostrukturierung enorm profitieren kann. Dabei kann die Mikroelektronik-Forschung verschiedene Anforderungen der Medizin bedienen: der steigende Bedarf an digitalisierten und smarten Systemen führt zu mehr Aufgabenstellungen, die mit Hilfe von Sensoren gelöst werden können. Biologische Aktivitäten erzeugen sehr kleine elektrische Signale, die gemessen und ausgewertet werden müssen. Gleichzeitig sollen die dafür nötigen Systeme so klein und so wenig invasiv wie möglich sein. Beide Anforderungen lassen sich gut mit hochintegrierten Mikrochips erfüllen, die auf kleinstem Raum Signale messen, verstärken und auswerten können. Dabei können KI-Lösungen helfen, die enormen Datenmengen der eingesetzten Sensoren direkt zu bewerten und auf ein nötiges Maß zu reduzieren. Elektronische Mikrosysteme mit intelligenten Sensoren ermöglichen zudem Diagnosen und Analysen vor Ort. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist ein hohes Maß an Interdisziplinarität erforderlich: neben der Entwicklung integrierter Schaltungen ist ein tiefgehendes Verständnis für geeignete Werkstoffe und Sensoren erforderlich, die im biologisch-medizinischen Umfeld eingesetzt werden können. Neuartige Ansätze aus der Kombination von optischen Systemen und Elektronik erlaubt die Silizium-Photonik, die es ermöglicht, Mikrochips mit erweiterten sensorischen Funktionen bis hin zur Spektroskopie auf Chipebene auszustatten.

IMS CHIPS forscht und entwickelt Lösungen und neue Ansätze für Anwendungen elektronischer Mikrosysteme im Bereich der Biomedizintechnik, so u.a. in den Projekten BWimplant und PanaMEA (Elektronik für Implantate zur Anregung der körpereige-nen Insulinproduktion), TENECOR (Messung von Hirnströmen bei Frühgeborenen), POSITION2 (ASIC für MRTfeste Herzkatheter zur EKG-Messung und Elektroablation). In der Vergangenheit wurden zudem Sensorchips für Blinde (RetinaImplantat) und für Videoendoskope und eine „Videopille“ realisiert. Dabei hat IMS CHIPS den Anspruch, wie in Abbildung 2 angedeutet, ganzheitliche innovative Systemlösungen von einzelnen Komponenten über ASICs und Sensoren, der Datenverarbeitung und Systemsteuerung durch den Anwender zu entwickeln, mit denen die Forschung und Produktentwicklung in der Biomedizintechnik vorangetrieben werden kann.

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