Integrierte CMOS LC Tank Oszillatoren als Detektoren in Hochfeld-ESR-Experimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262194705

Verfahren, die auf dem Elektronenspinresonanzeffekt (ESR-Effekt) basieren, zählen zu den wichtigsten Analyseverfahren in der Medizin sowie den Natur- und Materialwissenschaften. Mit ihrer Hilfe wird es möglich, die Struktur, die Dynamik sowie die räumliche Verteilung paramagnetischer Spezies zu untersuchen. Gegenüber Methoden, die auf dem verwandten Nuklearmagnetresonanzresonanzeffekt (NMR-Effekt) basieren, weisen ESR-basierte Verfahren aufgrund der um Größenordnungen höheren Gleichgewichtsmagnetisierung eine intrinsisch bessere Spinsensitivität auf und eignen sich daher prinzipiell besser für die Analyse stark massenlimitierter Proben wie sie z.B. in den modernen Lebenswissenschaften anzutreffen sind.  Obwohl die Detektion des ESR Effekts mit den verschiedensten Messprinzipien mit z.T. erheblich besseren Sensitivitäten erfolgen kann, so ist die induktive Detektion aufgrund Ihrer vollständigen Nichtinvasivität sowie ihrer Kompatibilität mit allen biologischen Proben die mit Abstand vielseitigste ESR-Detektionsmethode.Ziel des Forschungsprojektes ist daher die Weiterentwicklung und Verbesserung eines neuen frequenzsensitiven Ansatzes zur induktiven ESR Detektion, welcher es erlaubt, den Stand der Technik in puncto Spinsensitivität um mehrere Größenordnungen zu verbessern.Der frequenzsensitive Ansatz verwendet vollintegrierte LC Tank Oszillatoren als Sensor. Aus der Verwendung integrierter CMOS Oszillatoren als Detektor ergeben sich drei entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen induktiven Messverfahren: Vollintegrierte CMOS Realisierungen stellen einen eleganten Weg zur Detektorminiaturisierung und damit zu besseren Spinsensitivitäten dar. Des Weiteren können Oszillatoren in einer gegebenen Technologie für deutlich höhere Arbeitsfrequenzen entworfen werden als z.B. rauscharme Verstärker. Da sich die erzielbare Spinsensitivität quadratisch mit der verwendeten Arbeitsfrequenz verbessert, liegt hier der entscheidende Vorteil oszillatorbasierter Detektion. Zusätzlich zu den beiden erstgenannten Vorteilen benötigt die oszillatorbasierte Detektion keine kostspielige externe RF Quelle zur Erzeugung des B1-Feldes, da die Spule neben der Signaldetektion auch die Funktion der Anregung des Spinensembles übernimmt.Hierzu sollen im Rahmen des Projektes vollintegrierte CMOS LC Tank Oszillatoren für das Q- V- und W-band entwickelt und ihre Spinsensitivität in ESR Experimenten überprüft werden. Die auf diesem Wege erzielbaren Spinsensitivitäten sollten bei 10^6 spins/G/Hz^(1/2) (300 K) bzw. 10^4 spins/G/Hz^(1/2) (4 K) liegen und somit den Stand der Technik um ca. zwei Größenordnungen verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen