Mikroskopischer Sensor für Medizin und Nachrichtentechnik

Intelligenter Floh im Ohr

Winzig klein, voller Hightech, universell einsetzbar – diese drei Begriffe charakterisieren einen mikrooptische Sensor, den Erfurter Forscher am CiS Institut für Mikrosensorik entwickelt haben. MORES heißt der Winzling, er misst die Herzfrequenz ebenso wie die Farbe einer Flasche, soll also sowohl in der Industrie wie der Telemedizin angewendet werden.

Sensoren – gleichgültig wo sie eingesetzt werden – müssen heute drei Bedingungen erfüllen: Sie messen extrem genau, sie sind klein bis winzig, und sie lassen sich möglichst universell nutzen. Alle drei Forderungen erfüllt MORES. Diplom-Ingenieur Dieter Römhild vom CiS Institut für Mikrosensorik in Erfurt.

Also, der Sensor selbst ist von außen aus gesehen eine quadratische Glasplatte mit den Kantenmaßen 8×8 Millimeter, ungefähr 1,5 Millimeter dick, und er beinhaltet eigentlich die komplette Sensorik, das ist auf der einen Seite ein optischer Sender und unmittelbar daneben ein optischer Empfänger, womit der Erfurter Forscher das technische Grundprinzip des Sensors umschrieben hat: Die Messdaten – sei es nun die Vitaminkonzentration in Gemüse, die Herzfrequenz eines Sportler oder die Farbe von Glas – die Messdaten ermittelt berührungsfrei ein Lichtstrahl.

In dem Sensorchip selbst sind Licht emittierende Dioden integriert, die können verschiedenen Farben haben und sitzen dann nebeneinander und werden der Reihe nach aktiviert und senden dann unterschiedlich farbiges Licht aus. Dieses Licht trifft dann auf das Messobjekt, zum Beispiel die Haut oder ein chemisches Medium, von wo es verändert auf den Empfänger reflektiert und in elektrischen Strom gewandelt wird. Diese Veränderungen des Lichtes betreffen gleich mehrere physikalische Prinzipien. Beim einfachsten beeinflusst das zu messende Objekt die Farbe des reflektierten Lichtes.

Komplizierter wird es beim Einsatz von polarisiertem Licht: Schickt der Sensor polarisiertes Licht in einem bestimmten Winkel auf ein polarisierendes Medium, Zucker zum Beispiel, reflektiert das Licht mit verändertem Winkel.

Ein drittes Verfahren schließlich nutzt Fluoreszenzlicht, mit dem sich etwa Spuren von Vitaminen nachweisen lassen. All diese Messverfahren funktionieren bei MORES aber nur deshalb so gut, weil ein Trick Lichtkurzschlüsse verhindert: Sender und Empfänger liegen so dicht nebeneinander, dass sich abgestrahltes und empfangenes Licht mischen würden, hätte das Sensorglas nicht die Eigenschaft, dass es UV-empfindlich ist; nun kann man mit einem mikrolithografischen Verfahren wie es in der Chipindustrie üblich ist, bestimmte Bereiche von dem Glas belichten, dann werden die belichteten Bezirke unter Temperatureinwirkung dunkel, fast schwarz. Und jetzt habe ich unmittelbar neben einander auf dem gleichen Chip Bereiche, die nicht UV-belastet waren und Bereiche, die nachträglich schwarz wurden, so dass ich optische Fenster und optische Barrieren so zusagen dreidimensional in meinem Glas erzeugt habe. Mit dem Resultat, dass die Lichtstrahlen räumlich getrennt werden.

Gleichgültig ob in der Industrie, beim Winzer, in der Klinik oder auf der Wellness-Farm – MORES misst einfach alles, was sich optisch messen lässt, zumal er in Größe und Funktion jedem Einsatz angepasst werden kann. Das gilt – sagt Dieter Römhild vom CiS Institut für Mikrosensorik in Erfurt – auch für den Einsatzort.

Wir haben im Moment in Entwicklung einen Sensor, der so klein ist, dass er sogar im Ohr messen kann. Es ist also nicht von außen notwendig, am Finger oder am Fuß oder an der Stirn zu messen, sondern man kann sogar vom Gehörgang aus die Vitalfunktionen des Menschen erfassen – also die Herzfrequenz, der Sauerstoffgehalt des Blutes, die Elastizität der Blutgefäße und in Kombination mit einem EKG sogar den Blutdruck. Dabei strahlt der Sensor Licht auf die winzigen Arterien des Gehörganges; pumpt nun das Herz Blut durch die Gefäße, weiten sich die Arterien und haben ein intensiveres Rot als noch Sekunden zuvor. Diese Farbabweichung reicht, um gleich mehrere Vitalfunktionen zu berechnen. Und zwar online ohne kompliziertes Anlegen von Messgeräten und ohne lästiges Blutabnehmen!