Neue Möglichkeiten im Bereich der Biosensorik

Ein wichtiger Trend im Bereich der Unterhaltungselektronik ist die Entwicklung von Smartwatches und anderen Wearables, die eine Überwachung der persönlichen Gesundheit ermöglichen. Die ursprünglich nur auf die Herzfrequenz beschränkte Überwachung umfasst heute in der Regel auch die Herzfrequenzvariabilität (Stress), den Blutdruck und die Sauerstoffsättigung. Derzeit werden Geräte entwickelt, die auch die Flüssigkeitszufuhr oder den Laktatspiegel messen können, um die Muskelermüdung zu beurteilen. Es gibt Berichte, dass in Kürze ein vollständig nicht-invasives Blutzuckermessgerät auf den Markt kommen soll, das die Lebensqualität von Diabetespatienten verbessern wird.

Was hat es damit auf sich? Die Verbesserung der Kapazitäten zur Gesundheitsüberwachung wird von den folgenden zwei Faktoren vorangetrieben: 

• Erstens besteht der Wunsch nach einem präventiven bzw. auf Vorsorge ausgerichteten Ansatz in der Gesundheitsversorgung, bei dem potenzielle Probleme erkannt und behoben werden, bevor sie zu offensichtlichen Symptomen führen. 

• Ein weiterer treibender Faktor ist, dass Biosensorgeräte eine entscheidende Rolle dabei spielen können, Ärzten und Patienten die Informationen zu liefern, die für die Umsetzung individuellerer medizinischer Lösungen – beispielsweise zur Behandlung chronischer Erkrankungen – erforderlich sind.

Warum Halbleiterlaser?

Aus technischer Sicht kommen bei Überwachungsanwendungen stets bestimmte Arten optischer Sensortechnologien zum Einsatz. Die oben genannten neuen und fortschrittlicheren Anwendungen (wie beispielsweise die Überwachung von Laktat, Glukose und Hydratation) basieren auf optischer Technologie, die wiederum auf den besonderen Eigenschaften von Laserlichtquellen beruht.

Welchen Laser soll man wählen? Laserunterscheiden sich erheblich hinsichtlich Leistung, Wellenlänge, Größe, Kosten, Impulseigenschaften und anderer Parameter. (Das wissen wir, denn Coherent von Lasern Coherent !)

Für Anwendungen wie tragbare Gesundheitsmonitore (oder allgemeine Unterhaltungselektronik) müssen die folgenden vier wesentlichen Anforderungen an Laser erfüllt sein: 

1. niedrige Kosten

2. Kompakt/leicht

3. Geringer Stromverbrauch

4. Hohe Zuverlässigkeit

Halbleiterlaser(allgemein als Laserdioden bezeichnet) sind die einzigen Laser, die all diese Anforderungen erfüllen.

Einige aktuelle und zukünftige Anwendungsbereiche für Wearables:

• Herzfrequenzmessung

• Blutsauerstoffüberwachung

• Feuchtigkeitsüberwachung

• Blutzuckermessung

• Laktatüberwachung

• Krankheitsdiagnostik und personalisierte Medizin

Die VCSEL-Roadmap ist auf Verbraucheranwendungen ausgerichtet

Halbleiterlaser gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und sie können in einem breiten Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Bislang sind VCSELs(ausgesprochen „Vixel“) die in den meisten optischen Sensoranwendungen am häufigsten verwendeten Halbleiterlasertypen.

Im Vergleich zu anderen Halbleiterlasern besteht ein entscheidender Vorteil des VCSEL darin, dass er das Licht an der Oberseite emittiert. Der Nahinfrarotbereich (NIR) des VCSEL liegt zwischen 750 nm und 1200 nm, und er erzeugt einen kreisförmigen Lichtstrahl, ohne dass komplexe optische Komponenten erforderlich sind. Diese Eigenschaft erleichtert die Integration und minimiert das Gesamtgewicht sowie die Kosten in vielen Anwendungsbereichen.

Aufgrund dieserVorteile findenVCSELs breite Anwendung in verschiedenen Bereichen der Unterhaltungselektronik. Dazu gehören die Navigation in optischen Computermäusen, die Körperverfolgung in Spielekonsolen, Näherungs- und Gesichtserkennungssensoren in Smartphones und Tablets sowie 3D-Scanner und vieles mehr. Sie kommen zudem in Sensoranwendungen für die Automobilindustrie zum Einsatz, um autonomes Fahren zu ermöglichen, sowie in Anwendungen zur Überwachung von Fahrern und Beifahrern. Darüber hinaus werden VCSELs mittlerweile sogar in der Hirnbildgebung (fNIRS) eingesetzt.

Darüber hinaus finden VCSELs breite Anwendung in der optischen Kommunikation von Rechenzentren. Dank ihrer schnellen Modulationsfähigkeit, ihrer einfachen Integrierbarkeit und ihres hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses eignen sich VCSELs ideal für Kurzstrecken-Datenverbindungen, die extrem hohe Bandbreiten erfordern – genau das, was Rechenzentren benötigen, umdasexplosiveWachstum von KI-Anwendungen (Künstliche Intelligenz)zu bewältigen.

Die derzeit größte Einzelanwendung für Halbleiterlaser ist jedoch die Gesichtserkennung in Smartphones, bei der zwei VCSEL-Arrays Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 940 nm aussenden. In welchem Umfang? Coherent über 200 Milliarden VCSEL-Emitter Coherent Anwendungen in der Unterhaltungselektronik ausgeliefert.Dies war möglich, weil wir massiv in die VCSEL-Fertigung investiert, neue Waferfabriken gebaut und in Betrieb genommen sowie die Produktionsgröße von 75-mm- auf 150-mm-Wafer erweitert haben. Tatsächlich sind wir derzeit ein vertikal integrierter VCSEL-Hersteller, der ausgereifte Prozesse einsetzt, was entsprechend zu einer hohen Ausbeute und kostengünstigen Produkten führt.

Neben VCSELsCoherent eine weitere Art von Laserdioden her: seitlich emittierende Laser (EEL).Diese Lasertypen emittieren Licht seitlich aus dem Chip, wobei der Lichtstrahl eine leicht elliptische Form aufweist. Der Hauptvorteil von EELs besteht darin, dass ihre Architektur mit verschiedenen Materialsystemen kompatibel ist, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche unterstützen. Wir produzieren EELs auf Basis von Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie Galliumantimonid, wobei der Wellenlängenbereich vom Nahinfrarot (NIR) ab 750 nm über das kurzwellige Infrarot (SWIR) sowie das mittlere Infrarot (MIR) unterhalb von 3000 nm. Die längeren Wellenlängenbereiche (SWIR und MIR) sind besonders relevant für biosensorische Anwendungen, da hier das Licht mit den im menschlichen Körper vorhandenen Biomolekülen interagiert. Kantenemitter werden ebenfalls in großem Umfang hergestellt und in Unterhaltungselektronik eingesetzt, wenn auch nicht so weit verbreitet wie VCSELs. Eine bekannte Anwendung findet sich in Smartphones, wo Kantenemitter modernste Näherungssensoren unterstützen.

Integrierte Lösungen von Systemintegratoren (PIC)

ObwohlHalbleiterlaserwie VCSELs als Lichtquelle für vieletragbaremedizinische Sensorgerätedienen, sind sie nur ein Teil eines vollständigen photonischen Sensorsystems. Zu den weiteren wichtigen Komponenten zählen photodetektoren (Fotodioden) und Verstärkerchips, wie beispielsweise Halbleiter-Lichtverstärker (SOA). 

Coherent vertikal integrierter Coherent und ein Großlieferant dieser Kernkomponenten. Wir arbeiten eng mit anderen Akteuren der Photonikbranche zusammen und sind fest davon überzeugt, dass zukünftige Anwendungen zunehmend auf photonische integrierte Schaltkreise (PIC) setzen werden, um Komponenten auf Systemebene zu integrieren und die für tragbare Elektronikgeräte erforderlichen kompakten Abmessungen zu erreichen. PIC sind das photonische Äquivalent zu den ICs, die die Welt der Elektronik dominieren.

Coherent einer günstigen Position, um diesen Trend zu unterstützen, da wir ebenfalls PICs in Anwendungen der optischen Kommunikation einsetzen. 

Die Zukunft der Biosensorik liegt vor uns

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wearables um neue Biosensor-Funktionen erweitert werden. Viele dieser neuen Funktionen basieren auf optischer Sensorik, die Halbleiterlaser als Lichtquelle nutzt.

Als vertikal integrierter Hersteller von HalbleiterlasernCoherent , um diese Anwendungen zu unterstützen, und liefert eine Vielzahl von EEL- und VCSEL-Lasernfür die Unterhaltungselektronikbranche. Darüber hinaus umfasst unser Produktportfolio und unser Fachwissen auch ergänzende Technologien, die für die Herstellung von Biosensoren erforderlich sind, wie beispielsweise Fotodioden, Verstärkerchips und photonische integrierte Schaltkreise. 

Relevante Ressourcen