Referenzen

Aus meiner Zeit (2023 bis März 2024) am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg stelle ich hier zwei interessante Projekte vor die ich als Geschäftsfeldleiter Mobility Kunden zugänglich gemacht habe.

1. Fahren Sie gesund?

Im Straßenverkehr besteht ein großes Interesse der Gesellschaft daran, dass Fahrzeugführer jederzeit gesundheitlich in der Lage sind ihr Fahrzeug sicher zu führen und eine Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer jederzeit auszuschließen. Um den Fahrer während der Messung möglichst nicht zu beeinträchtigen oder abzulenken bieten sich kontaktlose, also optische Methoden an um den Gesundheitszustand des Fahrers in Echtzeit zu vermessen. Das Fraunhofer IMS hat dazu einen Algorithmus zur Verarbeitung eines Kamerabildes des Gesichts und der Brust des Fahrers entwickelt. Die konventionelle Kamera misst im optisch sichtbaren Bereich die dynamische Verformung und mit bloßem Auge nicht sichtbare Farbveränderung während der Blutzirkulation im Unterhautgewebe und kann daraus Puls und Atemfrequenz des Fahrers sehr genau bestimmen, Details dazu siehe hier.

Abb. 1: Messung von Puls und Atemfrequenz im Fahrzeug mit Hilfe dem IMS-Algorithmus zur Bildauswertung. ©IMS

Vor allem Automobilhersteller und Zulieferer sind an der neuen Technologie interessiert und es lassen sich weitere Messprinzipien wie die Pupillen- und Augenvermessung zur Erfassung des Müdigkeitszustands sowie des möglichen Einflusses von Drogen oder Medikamenten kombinieren. Daneben kann diese Technologie überall da eingesetzt werden wo die Kenntnis der Gesundheit von Menschen ankommt, zum Beispiel bei Fluglotsen, Schiffskapitänen, Piloten, oder in Menschemengen zur Terror- oder Pandemiebekämpfung.

2. Was leuchtet da im Kleinen?

Ein-Photonen-Detektoren, so genannte SPADs (für Single Photon Avalanche Detector) werden als hoch empfindliche Lichtdetektoren zum Beispiel in LiDAR-Sensoren, insbesondere in Flash LiDAR eingesetzt. LiDAR steht dabei für Light Detection and Ranging, also einer Methode in Anlehnung an RADAR bei der die Laufzeit eines Signals dazu dient um Topografien, wie zum Beispiel die Form der Erdoberfläche oder die 3D-Szenerie im Straßenverkehr, zu bestimmen. Neben anderer Sensorik wie IR-Kameras, Ultraschall und RADAR wird diese Technologie im Autonomen Fahren eingesetzt. Am Fraunhofer IMS werden SPADs auf 8″ Wafern in Silizium-Technologie gefertigt und sind für Wellenlängen im sichtbaren bis nah-infraroten Bereich (~ 350 nm – 950 nm) geeignet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Lichtempfindlichkeit (einzelne Lichtquenten können nachgewiesen werden) sowie durch ein niedriges Grundrauschen (Dark Count Rate, DCR) aus.

Neben LiDAR gibt es zahlreiche weitere Anwendungen für SPADs wie in der Spektroskopie, der Mikroskopie, der Positronen-Emissions-Tomographie sowie des Schwachlicht-Sehens bzw. Quantum Imagings.

Eine weitere Anwendung liegt in der Vermessung emittierter Lichtquanten angeregter Ionen im Ionenfallen-basierten Quantencomputing. Um dort Rechenoperationen zu ermöglichen werden einzelne Ionen (z.B. Ca2+) mit Hilfe statischer und oszillierender elektromagnetischer Felder einige 10 µm bis etwa 150 µm über den Strukturen eines Mikrochips (Abb. 2) hin- und her bewegt (Shuttling) und durch Laserstrahlung oder Mikrowellen in angeregte Zustände versetzt. Geschieht dies bei mindestens zwei Ionen werden überlagerte (superpositionierte) und verschränkte Zustände und damit die Recheneinheiten, die so genannten QuBits, erzeugt. Mit diesen QuBits werden dann die Rechenoperationen durchgeführt. Um den Status der Anregung ortsgenau zu messen können nun SPADs unmittelbar auf oder in den Chip integriert werden, siehe z.B. hier. Da für komplexe Rechenoperationen eine höhere Anzahl logischer QuBits (etwa ab 1 Mio.) benötigt werden werden in Zukunft hoch integrierte Fertigungstechnologien notwendig sein mit welchen dann u.a. auch die SPADs im Rahmen einer 3D-Integration in den Fertigungsprozess der Ionenfallenchips integriert werden.