Silizium Photomultiplier (SiPM)

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. SiPM sind extrem empfindliche optische Detektoren für die Messung von kleinsten Lichtmengen und zum Nachweis von einzelnen Photonen. Sie werden in verschiedenen Anwendungen gebraucht und eignen sich hervorragend für die medizinische Diagnostik oder auch in der Hochenergiephysik sind sie zur Detektion von einzelnen Teilchen unverzichtbar.

Ein weit verbreitetes Einsatzgebiet von Silizium Photomultipliern ist in der Nuklearmedizin das Verfahren der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Hierbei wird dem Körper eine radioaktive Substanz als Markierung (Tracer) für Stoffwechselaktivität injiziert. 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 erkannt werden und als tumorverdächtig markiert werden können.

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