Fraunhofer IPMS: Zukunftsweisende CMOS-integrierte Quantensensorik zur hochempfindlichen Magnetfeldbildgebung

Das Prinzip der Quantensensorik basiert auf NV-Diamanten (Nitrogen-Vacancy-Diamanten), die einzigartige Eigenschaften aufgrund von Defekten in ihrer Kristallstruktur aufweisen. NV-Zentren können optisch angeregt werden und emittieren Licht, dessen Photolumineszenz zur Detektion von Magnetfeldern, elektrischen Feldern oder Temperaturen genutzt wird.

Patrick Engelmann, Projektleiter am Fraunhofer IPMS, hebt die Vorteile des neuen Ansatzes hervor: „Die neu entwickelte, CMOS-basierte Plattform zur Quantensensorik kann aufgrund der NV-Technologie problemlos bei Raumtemperatur betrieben werden, wo sonst aufwändige Kryotechnik erforderlich ist. Durch die Integration von Lichtquelle, Detektor, Mikrowelle und Auslese auf einem Chip wird das System stark miniaturisiert und verbraucht sehr wenig Energie. Zudem können wir eine räumliche Auflösung im Mikrometerbereich durch Mehr-Kanal-Arrays anstelle von Einzelmesspunkten erreichen. Das System ist robust und portabel, da es ohne Laser und Optiken auskommt.“

Die Entwicklung dieser CMOS-integrierten Quantensensoren eröffnet neue Horizonte in verschiedenen Bereichen, von der Geophysik zur Erkundung von Erdmagnetfeldverformungen bis hin zur Medizin für Herz- und Nervenmonitoring und perspektivisch als Schnittstelle zur Hirn-Maschine-Interaktion. Diese Technologie adressiert Herausforderungen, die bisher nicht gelöst werden konnten, wie tragbare Magnetfeld-Quantensensoren für schnelle, hochempfindliche Vor-Ort-Analysen und vereinfachte Labor-Workflows.

Im Fraunhofer IPMS wird die erforderliche CMOS-Backplane entworfen und in einer kommerziellen Halbleiterfabrik hergestellt. Danach werden am Institut OLED-Lichtquellen auf den Chip integriert. Die präzise Ausrichtung der NV-Diamanten auf die Sensorpixel ist entscheidend für optimale Messergebnisse. Die Arbeiten bauen auf das am Institut verfügbare Know-how zur Integration und Fertigung von OLED-auf-Silizium-Bauelementen auf. Sie basieren konkret auf den sogenannten „bi-direktionalen“ Mikrodisplays mit Bildaufnahme- und -wiedergabefunktion auf einem Chip.

Das MPI CPfS beschäftigt sich im gemeinsamen Projekt mit der Messmethodik, sowie dem quantenoptischen Material in Form von NV-Diamanten und alternativen Materialien für diesen Anwendungszweck.

Bisher konnte die gemeinsame Integration von OLED und Antenne sowie die Anregung des NV-Zentrums in einem Technologiedemonstrator gezeigt werden. An der vollständigen CMOS-Integration des Sensorsystems inklusive Photodetektoren und der vollständigen Auslese-Schaltung wird noch gearbeitet. Industriepartner haben bereits Interesse bekundet. Die Verifikation in ersten Forschungsanwendungen wird in drei bis vier Jahren erwartet. Bei positiver Validierung kann die Plattform schnell an konkrete Anwendungen angepasst und in die Pilotfertigung überführt werden.

– – – – – 

Weiterführende Links

👉 www.ipms.fraunhofer.de 

Foto: Fraunhofer IPMS