Kundenspezifische Entwicklung von optoelektronischen Komponenten & Systemen
Von der Idee zur passgenauen Lösung

Kundenspezifische optische Sensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung und dem Wachstum auf dem Markt der medizinischen Geräte. Anpassungsfähige Sensoren ermöglichen heute Geräte, die mit ihrer Leistung, Konnektivität und Portabilität die Patientenversorgung weltweit verbessern.

Im Zeitalter des Internet of Things (IoT), dem Internet der Dinge, und in Anbetracht der strengen Halbleiterstandards der Medizinindustrie, wächst die Bedeutung optischer Sensoren als Basisbaustein für eine Komplettlösung auf diesem Markt weiter an. Medizinische Geräte müssen stets ein Maß an Leistung und Zuverlässigkeit erfüllen, das von vielen anderen Systemen oder Branchen nicht erreicht wird – und das unter teils ex­trem kritischen und komplexen Bedingungen. Ob beim Patienten zu Hause, in einem Notfallfahrzeug, in einem Operationssaal, in abgelegenen oder rauen Gegenden oder auch einfach »nur« nonstop in einem großen Krankenhaus.

Da jede Anwendung einzigartig ist, führen gewöhnliche Standardsensoren angesichts der vielen Facetten medizinischer Applikationen oft nicht zum gewünschten Ergebnis. Standardsensoren bergen aufgrund von beispielsweise zu großer oder geringer Empfindlichkeit die Gefahr von falschen oder widersprüchlichen Messwerten. Die Entwicklung der optimalen Sensorlösung mit dem entsprechenden Empfindlichkeitsbereich, der optischen Leistung und dem erforderlichen Footprint ist entscheidend, um eine präzise Leistung zu gewährleisten.

Diese kundenspezifischen optischen Sensorlösungen werden mit kompatiblen LEDs, Sensoren, Gehäusen und werkseitigen Konfigurationen beziehungsweise Tests abgestimmt, um die gewünschten Ergebnisse für eine schlüsselfertige Lösung zu erzielen. Das Hinzufügen von Kabeln, Steckverbindern, passiven Schaltungskomponenten und kundenspezifischen Leiterplatten ergänzt und erhöht oft die Flexibilität und Zuverlässigkeit der gewünschten Lösung.

Dabei sind die Möglichkeiten zur Erstellung einer optimierten Sensorlösung recht vielfältig. Sie reichen von der einfachen Beschaffung gepaarter diskreter Sender- und Sensorkomponenten bis hin zu übergeordneten kundenspezifischen Baugruppen.

Der diskrete Sensor ist das grundlegende Element einer Sensorlösung, erfordert aber dennoch eine sorgfältige Auswahl der zugehörigen Komponenten. Die Abstimmung einer geeigneten LED auf das Sensorelement verdeutlicht die Herausforderung: Mehrere Sensoroptionen umfassen grundlegende Fototransistoren, Fotodioden und sogar intelligente Detektoren, die das Sensorelement selbst ergänzen. Funktionen wie Temperaturkompensation, automatische Verstärkungsregelung oder autonome Entscheidungsfindung können mit dieser Art von intelligentem Sensor hinzugefügt werden. Letztendlich hängt der richtige Sensor von den spezifischen Anwendungsanforderungen sowie von den Leistungsanforderungen wie Wellenlänge, Empfindlichkeit, Platzbedarf des Geräts und vielem mehr ab.

Ein diskreter Emitter ist in der Regel ebenfalls Bestandteil des Designs. LEDs werden am häufigsten verwendet, wobei oberflächenemittierende Laser (VCSELs) mit vertikalem Resonator je nach Parametern wie Wellenlänge, optische Ausgangsleistung, optische Ausgangswinkel und Durchlassspannung auch immer häufiger zur Anwendung kommen. Die Kopplung von Emitter und Sensor ist Teil der Überlegungen und wird auch durch Wellenlänge, Leistungsstufen und Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Ausrichtung beeinflusst.

Das Gehäuse der Sensorlösung ist der nächste Schritt in der Designhierarchie, wobei die Anwendungsanforderungen eine breite Palette von optischen und mechanischen Gehäusevarianten bestimmen. Die Konstrukteure müssen sich der mechanischen Toleranzen bewusst sein, die mit jedem Design verbunden sind, zusammen mit Überlegungen wie dem Abstand zwischen Sensor und Emitter, der Öffnungsgröße, dem Durchgangsloch, der Oberfläche und dem Montagewinkel. Außerdem ist es wichtig zu erkennen, dass diskrete Komponenten und Gehäusedesign zur Gesamtsystemleistung beitragen.

Das kundenspezifische Design der optischen Sensorlösung muss entwickelt werden, um einem Spek­trum von Designwünschen und Leistungsanforderungen gerecht zu werden, die von der Variabilität des Montageortes und des Erfassungs­abstandes über die Art der zu erfas­senden Medien bis hin zu den Umgebungsbedingungen reichen.

Da optische Sensoren oft weit von der primären Leiterplatte oder dem Mikrocontroller des Systems entfernt montiert werden, ist die Konnektivität für die Eingangsleistung und Kommunikation entscheidend. In diesen Fällen sind Kabellänge und Steckertypen wichtige Faktoren bei der Entwicklung einer robusten Lösung.

Medizinische Anwendungen weisen oft optische Sensoranforderungen auf, die über einfache Detektor- und Emitter-Designtechniken hinausgehen. Mehrere Sensoren und/oder Emitter, andere passive und aktive Komponenten (etwa ein Spannungsregler) oder andere mechanische Komponenten erfordern möglicherweise die Platzierung auf einer gemeinsamen Leiterplatte. Zusätzliche Verkabelung und Anschlüsse mit mehreren diskreten Komponenten wären zudem not­wendig. Übergeordnete Baugruppen können viele verschiedene Formen annehmen, die von Anwendungsanforderungen für Funktion, Leistung und Größe bestimmt werden.