Chemische Substanzen erkennen und Tumorgewebe untersuchen

Hochminiaturisierte MEMS-Scanner Chemische Substanzen erkennen und Tumorgewebe untersuchen

31.01.2023 Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

Kundenspezifische Mikrosysteme für Bildgebung, Laserscanning-Mikroskopie oder Lidar für autonomes Fahren: MEMS-Scanner lassen sich vielfältig einsetzen. Vor allem in der Medizin sind vielversprechende Anwendungen möglich.

Spektroskopisch weißes Pulver identifizieren: Mit einem Spektralbereich von 950 nm bis 1.900 nm und einer spektralen Auflösung von 10 nm lassen sich chemische Substanzen untersuchen.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Klein und kompakt: Elektronische, mechanische und optische Komponenten schrumpfen und finden somit Einzug in intelligente Systeme. Herzstück sind entweder mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) und mikro-opto-elektro-mechanische Systeme (MOEMS). Es entstehen Produkte, die über verbesserte Eigenschaften und zusätzliche Funktionen verfügen.

Das Besondere bei den photonischen Systemen des Fraunhofer IPMS ist das durch kleine auslenkbare Spiegel modulierte Licht, um damit Bilder und Strukturen zu erzeugen. Das Forschungsinstitut entwickelt dafür Flächenlichtmodulatoren mit bis zu mehreren Millionen Spiegeln auf einem Halbleiterchip.

Hauptanwendungsgebiete für Spiegelmatrizen für Mikrolithographie im tiefen Ultraviolett-Bereich, Herstellung von Leiterplatten (PCB), Halbleiterinspektion und -messtechnik sowie in der Adaptiven Optik, der Astronomie, der Holografie und der Mikroskopie.

Hochminiaturisierte MEMS-Scanner

Das Fraunhofer IPMS entwickelt und produziert bereits seit mehreren Jahren kundenspezifische, hochminiaturisierte MEMS-Scanner. Die Bauelemente zeichnen sich durch große Scanwinkel und hohe Scanfrequenzen aus und sind langzeitstabil. Anwendungen finden sich in der scannenden Bildgebung, Laserscanning-Mikroskopie, Endoskopie, Lidar-Sensorik für das autonome Fahren oder bei Head-up-Displays, Head-Mounted Displays sowie AMR-Displays.

Eine aktuelle Entwicklung sind die ersten hybriden 2D-Vektorscannermodule mit elektromagnetischem Antrieb. Sie erlauben die zweidimensionale quasi-statische Auslenkung bei größeren Spiegelaperturen sowie eine hohe vektoriellen Positioniergeschwindigkeit.

„Der entwickelte Ansatz erweitert den Parameterraum der bisherigen monolithischen Scanner deutlich. Dabei bleiben die etablierten Vorzüge der Fraunhofer IPMS-Scannerspiegeltechnologie – hohe optische Planarität und Entkopplung der Scanachsen durch kardanische Aufhängung sowie die Ermüdungsfreiheit der Federelemente – erhalten“, erklärt Dr. Jan Grahmann vom Fraunhofer IPMS.

Spektralbereich von 950 bis 1.900 nm

Aufbauend auf der Scannertechnik ist ein Spektrometer entstanden, welches in Echtzeit zuverlässig feste, flüssige und gasförmige Stoffe detektiert. Das aktuelle System adressiert den bewährten Spektralbereich von 950 bis 1.900 nm mit einer spektralen Auflösung von 10 nm. Aktuell erreicht das System ein Bauvolumen von 2 cm³.

Eine weitere Miniaturisierung ist jedoch möglich. Ein Demonstrationssystem veranschaulicht, wie sich weißes Pulver erkennen lässt. Es könnte sich um Salz, Zucker, Stärke oder Mehl handeln. Aber auch zahlreiche andere visuell ähnlich erscheinende Substanzen lassen sich zuverlässig erkennen und zuordnen. Als mögliche Anwendungen denkbar sind die Erkennung pharmazeutischer und chemischer Stoffe bis hin zu Gefahrstoffen und dem Recycling.

Laser-Scanner mit Operationssaal

Die Mikroscanner des Fraunhofer IPMS sind zudem Herzstück eines Laser-Scanning-Mikroskops zur Tumorabgrenzung. Mit dessen Hilfe können Krebsoperationen schneller, präziser und sicherer gemacht werden.

Noch im Operationssaal können Ärzte mithilfe des Mikroskops das Gewebe untersuchen, aus dem der Tumor gerade herausgeschnitten wurde. Ein vorher aufgebrachter Fluoreszenz-Marker macht alle Krebszellen sichtbar, die nach dem Schnitt eventuell noch zurückgeblieben sind. Diese lassen sich dann restlos und präzise entfernen. Das umliegende Gewebe wird dabei geschont, weil man im Mikroskop-Display genau sieht, wo das gesunde Gewebe anfängt.