Verbundprojekt: Quanten-Magnetometer zur Positions- und Lagebestimmung für Intelligente Systeme (Quamapolis); Teilvorhaben: Optimierung und mikroelektronische Integration des Quantensensorsystems

Abstract

Im Rahmen des BMBF-Projekts „Quamopolis“ erforschte die Universität Stuttgart die Optimierung und mikroelektronische Integration des Quantensensorsystems zur Realisierung eines miniaturisierten NV-basierten Vektormagnetometers. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung einer Mikrowellen-Schaltung in CMOS-Technologie, eines statischen Magnetfelds mit hoher Homogenität sowie eines rauscharmen Fotodetektor-Systems. Zur Erzeugung des erforderlichen Mikrowellen-Magnetfelds (B1) für die Anregung der NV-Zentren wurde ein CMOS-basierter Mikrowellenchip entwickelt, der ein zentrales Schlüsselelement für die Miniaturisierung des Quantensensorsystems darstellt. Die B1-Erzeugung erfolgt über ein integriertes Streifenleitungsarray, das direkt auf dem Chip realisiert ist. Die Architektur basiert auf einer Quadratur-Aufwärtsmischer-Topologie mit integrierten Stromtreibern, die über eine serienresonante Abstimmung mit Varaktoren eine maximale Effizienz bei der Stromumsetzung von DC auf HF erzielen. Mittels Simulationen in COMSOL Multiphysics wurde eine vergleichende Untersuchung durchgeführt, um die optimale Anordnung von Permanentmagneten für das NV-Magnetometer zu ermitteln. Dabei wurde festgestellt, dass ein dreischichtiges Hallbach Array der beste Kompromiss aus Feldstärke, Homogenität und Fertigungskomplexität ist. Zur Realisierung des rauscharmen Fotodektor-Systems wurden verschiedenen Möglichkeiten zur Unterdrückung von magnetischen Hintergrundfeldern untersucht. Dazu werden die Fotodiode-Ströme von zwei räumlich getrennten Diamantsensoren subtrahiert. Damit die Methode anwendungsrelevant ist, müssen Hintergrundfelder in der Größenordnung des Erdmagnetfeldes, also 50 µT, subtrahiert werden. Bei einer angestrebten Nachweisempfindlichkeit von ca. 100 pT bedeutet dies einen Dynamikbereich von fünf Größenordnung. Dazu wurde die im Rahmen dieses Projekts entwickelte optimierte rauscharme Messung von Fotodioden-Strömen eingesetzt. Weiterhin muss der Temperaturdrift der Sensoren angeglichen werden. Zudem ist es notwendig, die Ausrichtung der beiden Sensoren besser als 0.01˚ relativ zu gewährleisten. As part of the BMBF project “Quamopolis,” the University of Stuttgart researched the optimization and microelectronic integration of the quantum sensor system to realize a miniaturized NV-based vector magnetometer. The focus was on the development of a microwave circuit in CMOS technology, a static magnetic field with high homogeneity, and a low-noise photodetector system. To generate the required microwave magnetic field (B1) for exciting NV centers, a CMOS-based microwave chip was developed, representing a key component for the miniaturization of the quantum sensor system. The B1 generation is achieved using an integrated stripline array directly implemented on the chip. The architecture is based on a quadrature up-mixer topology with integrated current drivers, achieving maximum efficiency in the conversion of DC to RF through series-resonant tuning with varactors. Through simulations in COMSOL Multiphysics, a comparative study was conducted to determine the optimal arrangement of permanent magnets for the NV magnetometer. It was found that a three-layer Halbach array represents the best compromise between field strength, homogeneity, and manufacturing complexity. For the realization of the low-noise photodetector system, various methods for suppressing magnetic background fields were investigated. For this purpose, the photodiode currents of two spatially separated diamond sensors are subtracted. To make the method practical, background fields in the order of magnitude of the Earth's magnetic field, i. e., 50 µT, must be subtracted. With a target detection sensitivity of about 100 pT, this results in a dynamic range of five orders of magnitude. The optimized low-noise measurement of photodiode currents developed in this project was used for this purpose. Furthermore, the temperature drift of the sensors must be compensated. In addition, it is necessary to ensure the alignment of the two sensors with relative accuracy better than 0.01°.