Forschungsprojekt OptoQuant
CMOS-Quantensensoren für Magnetfeldbildgebung
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (CPfS) eine CMOS-integrierte Quantensensorplattform zur hochempfindlichen Magnetfeldbildgebung bei Raumtemperatur.
Quantensensorik mit NV-Diamanten
Die Sensorik basiert auf sogenannten Nitrogen-Vacancy-Zentren in Diamanten. Diese Defekte in der Kristallstruktur lassen sich optisch anregen und emittieren Photolumineszenz, die zur Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern oder Temperaturen genutzt werden kann.
Ein zentrales Ziel des Projekts namens „OptoQuant“ ist die vollständige Integration aller benötigten Komponenten auf einem CMOS-Chip. Dazu zählen Lichtquelle, Detektor, Mikrowellenanregung und Ausleseelektronik.
»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«, sagt Patrick Engelmann, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.
Anwendungen von Geophysik bis Medizin
Die Projektpartner sehen Anwendungsmöglichkeiten unter anderem in der Geophysik zur Analyse von Erdmagnetfeldveränderungen sowie in der Medizin für Herz- und Nervenmonitoring. Perspektivisch wird auch eine Nutzung im Bereich der Hirn-Maschine-Interaktion genannt. Ziel sind tragbare Quantensensoren für hochempfindliche Vor-Ort-Messungen und vereinfachte Laborprozesse.
Integration auf Chip-Ebene
Am Fraunhofer IPMS entsteht die CMOS-Backplane, die in einer kommerziellen Halbleiterfabrik gefertigt wird. Anschließend integriert das Institut OLED-Lichtquellen direkt auf den Chip. Eine präzise Positionierung der NV-Diamanten auf den einzelnen Sensorpixeln gilt als entscheidend für die Messqualität. Die Arbeiten bauen auf vorhandene Entwicklungen zu OLED-auf-Silizium-Bauelementen und bi-direktionalen Mikrodisplays mit kombinierter Bildaufnahme- und -wiedergabefunktion auf.
Das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe verantwortet im Projekt die Messmethodik sowie die Entwicklung und Charakterisierung der quantenoptischen Materialien, insbesondere der NV-Diamanten und alternativer Sensormaterialien.
Stand der Entwicklung
Ein Technologiedemonstrator mit integrierter OLED und Antenne sowie der Anregung von NV-Zentren wurde bereits realisiert. An der vollständigen CMOS-Integration einschließlich Photodetektoren und Ausleseschaltung wird derzeit weitergearbeitet. Industriepartner haben laut Projektangaben bereits Interesse bekundet. Erste Verifikationen in Forschungsanwendungen werden in drei bis vier Jahren erwartet, eine Überführung in die Pilotfertigung gilt bei positiver Validierung als möglich.
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