Institut für Intelligente Sensorik

Am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart, das bereits 1912 gegründet wurde, arbeiten gegenwärtig 25 wissenschaftliche MitarbeiterInnen (Promovierende), zwei Techniker und ein Akademischer Oberrat an der Erforschung und praktischen Implementierung neuer intelligenter Sensorkonzepte. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der mikroelektronischen Integration der benötigten Schnittstellenelektronik. So werden derzeit zwischen 5 und 10 Tapeouts pro Jahr am Institut durchgeführt. Neben der Verbesserung klassischer Sensoren liegt ein Fokus der Arbeiten am IIS auf der Erforschung neuer, miniaturisierter Anrege- und Auslesekonzepte für verschiedene Quantensensoren. Nach langjähriger Erfahrung (inzwischen mehr als zehn Jahre) im Bereich der Miniaturisierung der klassischen Kern- und Elektronenspinresonanz arbeitet das Institut seit einigen Jahren an CMOS-integrierten Mikrowellenanregekonzepten sowie (CMOS-integrierten) ultrarauscharmen Stromausleseschaltungen mit Rauschgründen im Bereich weniger fA/√Hz und Bandbreiten im MHz-Bereich für Festkörperquantensensoren wie z. B. NV-Zentren. Im Bereich der chipintegrierten Mikrowellenanregekonzepte ist Prof. Anders Miterfinder des inzwischen international patentierten VCO-basierten EPR-on-a-chip Konzepts, welches jüngst (November 2019) mit dem Technologietransferpreis des Helmholtz-Zentrums Berlin für Energie und Materialien ausgezeichnet wurde. Das immense Potential der NMR- und EPR-on-a-chip Konzepte wurde u. a. durch das weltweit erste batteriebetriebene EPR-Spektrometer sowie vor Kurzem (November 2019) durch ein implantierbares, nadelförmiges NMR-Spektrometer für physiologische Messungen am Rattenhirn nachgewiesen.

Neben den Forschungsarbeiten zur mikroelektronischen Integration von Schnittstellenschaltungen beschäftigt sich das Institut darüber hinaus mit dem Entwurf und der Fertigung hochgenauer Magnete für miniaturisierte NMR- und EPR-Spektrometer. Zudem verfügt das IIS über eine langjährige Erfahrung im Bereich des Entwurfs energieeffizienter ΣΔ-Modulatoren.

Ergänzt werden die Forschungsaktivitäten durch die Arbeitsgruppe für multiphysikalische Feldprobleme unter der Leitung des Akademischen Oberrats Dr. Buchau. Hierzu gehören sowohl die Entwicklung innovativer numerischer Verfahren als auch deren Adaptierung für aktuelle Forschungsvorhaben. So prägen moderne Ansätze wie multiphysikalische Probleme oder Maschinelles Lernen die Forschung des IIS seit über 20 Jahren. Bereits vor 15 Jahren wurden numerische Feldberechnungen mit Augmented-Reality kombiniert. Die Forschungssoftware MuPhyN des IIS gehört mit einer Kombination aus der Randelementmethode, netzfreiem Post-Processing, Matrixkompressionsverfahren und Visualisierung zu den effizientesten und innovativsten Werkzeugen auf diesem Gebiet.

Das Institut verfügt neben allen Entwurfswerkzeugen für den Schaltungs- und Magnetentwurf (Cadence, ADS, CST Microwave Studio, COMSOL Multiphysics, Altium) über ein vollständig ausgestattetes Mixed-Signal-Messlabor für hochgenaue Messungen bis ca. 40 GHz. Das Institut verfügt des Weiteren über einen eigenen Drahtbonder sowie Zugang zu einem Flip-Chip-Bonder zur In-Haus-Charakterisierung der gefertigten Mikrochips. Für die Fertigung der hochgenauen Permanentmagnete verfügt das Institut über eine eigene Werkstatt inklusive der Möglichkeit zur additiven Fertigung (3D-Druck) von ferromagnetischen Filamenten. Für Spinresonanz-Experimente hat das Institut Zugang zu zahlreichen NMR- und EPR-Magnetsystemen und verfügt über einen geeigneten Laser zur Anregung der Fluoreszenz von NV-Zentren.