Quantensensorik

Quantensensorik gilt als zentraler Innovationstreiber innerhalb der modernen Quantentechnologien. Mit CMOS-integrierten NV-Sensoren entwickelt das Fraunhofer IPMS eine Plattform, die hochsensitive Quantenmagnetometrie bei Raumtemperatur ermöglicht und gleichzeitig die Skalierbarkeit, Robustheit und Energieeffizienz moderner Mikroelektronik nutzt. Diese Kombination aus Quantenmetrologie, Photonik und industriell kompatibler CMOS-Technologie eröffnet neue Anwendungsperspektiven für Forschung, Medizintechnik, Industrie, Energieinfrastruktur und Navigation.

Anwendungsfelder – von 2D-Materialien bis GPS-freie Navigation

Die CMOS-integrierten Quantensensoren adressieren Einsatzgebiete, in denen bislang entweder physikalische Limitierungen oder der Aufwand optischer Laborsysteme den Zugang erschwert haben. In der Material- und Festkörperforschung bieten sie die Möglichkeit, magnetische Texturen und lokale Stromflüsse in 2D-Materialien mit hoher räumlicher Auflösung sichtbar zu machen. Gleichzeitig eröffnen sie neue Wege in der medizinischen Diagnostik und Bioelektronik – etwa für präzises Herz- und Nervenmonitoring oder perspektivisch für Brain-Machine-Interfaces, die auf kontinuierliche, hochsensitive Messdaten angewiesen sind.

Auch für Energie- und Industrienetze entsteht ein deutlicher Mehrwert: Berührungslose Strom- und Feldmessungen werden durch die hohe Miniaturisierung und die robuste Systemintegration erstmals in portable und energieeffiziente Formfaktoren übertragbar. In der Geophysik wiederum erlauben die Sensoren die Detektion lokaler Störungen im Erdmagnetfeld, was für Exploration und prospektive Erzsuche relevant ist. Nicht zuletzt eröffnet die Kombination aus NV-Technologie und CMOS-Elektronik neue Möglichkeiten in der Navigation – insbesondere in GPS-denied Szenarien oder für hochpräzise Indoor-Lokalisierung.

Technologie – Wie der Sensor entsteht

Die Grundlage der Sensorplattform bildet eine CMOS-Backplane aus einer industriellen Foundry, die im nächsten Schritt am Fraunhofer IPMS durch ein waferbasiertes Post-Processing zur vollständigen Quantensensor-Einheit erweitert wird. Auf dieser sogenannten Frontplane integrieren wir OLED-Lichtquellen direkt auf Silizium, perspektivisch ergänzt durch Photodetektoren sowie eine auf dem Chip realisierte Mikrowellenantenne zur Anregung der NV-Zentren. Anschließend wird der diamantbasierte Quantensensor-Film aufgebracht und präzise zu den Pixel-Feldern ausgerichtet. Diese monolithische Integration schafft die Basis für kompakte, energieeffiziente und skalierbare Quantum-Sensing-Module.

Vorteile – Warum diese Technologie neue Wege ermöglicht

Im Vergleich zu etablierten Quantensensoren, wie etwa SQUID-Systemen, benötigen unsere Sensoren keine Kryotechnik und arbeiten stabil bei Raumtemperatur. Durch die vollständige Integration aller funktionalen Module – Lichtquelle, Mikrowellenansteuerung, Photodetektion und Ausleseelektronik – entsteht ein System mit minimalem Energieverbrauch und einem Formfaktor, der weit über klassische Laborlösungen hinausgeht. Hinzu kommt: Anstatt einzelner Messpunkte ermöglichen Multi-Channel-Arrays eine mehrdimensionale, ggf. bildgebende Erfassung magnetischer Felder bis in den Mikrometerbereich. Der Wegfall externer Laser, Optiken und komplexer Justagemechanismen erhöht zudem die Robustheit und Portabilität erheblich und erlaubt Anwendungen im Feld, die zuvor technisch kaum realisierbar waren.