Silizium Photomultiplier (SiPM)

Das Fraunhofer IMS entwickelt und fertigt sowohl analoge als auch digitale Silizium Photomultiplier (SiPM) für die Detektion von Photonen in diversen Anwendungen (z. B. PET).

CMOS Image Sensors – Silizium Photomultiplier (SiPM)

20 x 20 Pixel Analoger Silicon Photomultiplier des Fraunhofer IMS
© Fraunhofer IMS
Analoger Silizium Photomultiplier mit 20 x 20 Pixel
Analoger Silicon Photomultiplier des Fraunhofer IMS im Gehäuse
© Fraunhofer IMS
Analoger Silizium Photomultiplier im Gehäuse

Diverse Anwendungen verlangen optische Sensoren mit extrem hoher Empfindlichkeit, um schwaches Licht bis hin zum einzelnen Photon detektieren zu können. Falls die örtliche Auflösung dabei nicht die höchste Priorität hat, erfüllen Silizium Photomultiplier (SiPM) diese Anforderung optimal. Ein interessantes Themenfeld ist die Hochenergiephysik, bei der die Detektion einzelner Teilchen unabdingbar ist.

Ein weiter verbreitetes Einsatzgebiet von Silizium Photomultipliern ist das nuklearmedizinische Verfahren der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Hierbei wird dem Körper eine radioaktive Substanz als Markierung (Tracer) für Stoffwechselaktivität verabreicht. Beim Zerfall dieses Stoffes entstehen Positronen (positiv geladene Elementarteilchen), die sich mit Elektronen als Gegenstück vernichten und die Energie in Form von Photonen freigeben. Bei diesem Vorgang entstehen jeweils zwei Photonen, deren Impulsrichtung sich um 180 ° unterscheidet. Diese entgegengesetzt propagierenden Photonen treffen in einer Röhre auf zwei gegenüberliegende Detektoren und geben durch ihre Ankunftszeit Rückschlüsse auf den Ort der Entstehung, bzw. Positronen-Emission. Interessant sind dabei die Unterschiede der Zerfallsraten im Körper, da die gewählte Substanz sich z. B. vermehrt an Tumorzellen anreichert, sodass Bereiche mit hohen gemessenen Intensitäten tumorverdächtig wirken.

SiPM basieren auf der SPAD-Technologie und nutzen die extreme Empfindlichkeit und Schnelligkeit der Dioden aus. Das Fraunhofer IMS besitzt die Erfahrung und Kompetenz Silizium Photomultiplier mit in CMOS integrierten SPADs (CSPADs) kostengünstig zu entwickeln und zu fertigen. Bei der Fertigung kann auf die individuellen Anforderungen der Kunden und Anwendungen eingegangen und das Design maßgeschneidert realisiert werden. Dabei wurden bereits sowohl analoge SiPM, bei denen aus einer ausgegebenen Spannung direkt auf die Photonenrate geschlossen werden kann, als auch digitale SiPM erstellt, bei denen einzelne Photonen gezählt und zusätzlich als Zeitstempel binär aus dem Chip ausgelesen werden können.

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