Sensorsysteme verbinden reale Stimuli mit der digitalen Welt. In diesem strategischen Tätigkeitsfeld arbeitet die gesamte IHP-Wertschöpfungskette auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen daran, Materialien, Schaltungsdesign und die Integration von Sensoren sowie die Verarbeitung der Ausgangssignale zu erforschen und weiterzuentwickeln.
In der Mikroelektronik sind Sensorsysteme dafür verantwortlich, Daten aus der physischen Welt zu erfassen, zu verarbeiten, Entscheidungen auf ihrer Grundlage zu treffen und entsprechende Aktionen auszuführen. Am IHP befassen wir uns mit der Entwicklung und dem Betrieb einzelner Sensoren, Sensorschaltungen, ihrer Kommunikationsnetzwerke und ihrer Interoperabilität. Wir untersuchen konventionelle und neuartige Materialien als Wandler physikalischer Stimuli. Von SiGe-kompatiblen bis hin zu unkonventionelleren Materialien wird kontinuierlich daran geforscht, die Empfindlichkeit und Selektivität unserer Bauelemente zu verbessern. Neben energieeffizienten Schaltungen mit hoher Bandbreite streben wir danach, modernste und sichere Technologien bereitzustellen. Daher verfügt das IHP im Bereich der Sensorsysteme über folgende Kompetenzen:
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Neuartige 2D-Sensormaterialien
Neuartige 2D-Sensormaterialien
2D-Materialien wie Graphen und hexagonales Bornitrid haben aufgrund ihres maximierten Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses das Potenzial, hochempfindliche Sensoren zu ermöglichen. Laufende Forschungsarbeiten haben 2D-Materialien aus dem Labor in die Pilotlinie des IHP überführt.
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THz-Biosensoren und Oberflächenfunktionalisierung
THz-Biosensoren und Oberflächenfunktionalisierung
Plasmonische Antennen auf Basis hochdotierten Germaniums werden im Reinraum des IHP gefertigt. Ihr Verhalten bei THz-Frequenzen wird als neuartige Sensorstrategie untersucht. Mithilfe der Oberflächenfunktionalisierung, die als chemische Schnittstelle zur Verankerung von Biorekognitionselementen dient und deren Selektivität verbessert, wird die Wechselwirkung zwischen Proteinen, z. B. HSA, und Toxinen untersucht.
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Quantenmaterialien für hochmoderne Sensorik
Quantenmaterialien für hochmoderne Sensorik
Quantensensoren nutzen Quantenzustände, um physikalische Größen wie Temperatur, Magnetfelder und elektrischen Strom mit Empfindlichkeiten zu erfassen, die über die klassischer Sensoren hinausgehen. In hochbeweglichem Ge und Si fungieren Einzelelektronentransistoren als empfindliche Ladungssensoren, die Einzelelektronenereignisse auflösen und Spin-Auslese durch Spin-zu-Ladung-Konversion ermöglichen können.
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Neu entstehende Si-CMOS-kompatible Sensoren
Neu entstehende Si-CMOS-kompatible Sensoren
Neuartige Bauelemente und Module für Si-CMOS-kompatible Technologien können auf der institutseigenen 200-mm-Pilotlinien-Prozessplattform entwickelt werden.
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MEMS-basierte Sensoren
MEMS-basierte Sensoren
Si-CMOS-kompatible Mikrofertigungsmöglichkeiten für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ermöglichen die Integration mechanischer Elemente und elektronischer Schaltungen auf demselben Siliziumchip. Damit werden Technologien wie Beschleunigungssensoren und Gyroskope für Forschung und Entwicklung zugänglich.
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Fernsensornetzwerke
Fernsensornetzwerke
Der Einsatz großer Mengen von Sensoren, wie ihn das Internet of Things (IoT) vorsieht, erfordert einen minimalen Energieverbrauch. Spezialisierte Schaltungen sind erforderlich, um Echtzeitdaten energieeffizient zu erfassen, aufzubereiten, zu verarbeiten und zu übertragen.
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Sub-THz-Schaltungen für Sensoren
Sub-THz-Schaltungen für Sensoren
Hohe Bandbreitenanforderungen, etwa bei Echtzeit-3D-Bildgebung oder ultrapräzisem Radar für unbemannte Fahrzeuge, werden durch Schaltungen erfüllt, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten. Die ultrahohen Frequenzen, die durch die SiGe-Bipolartransistortechnologien des IHP erreicht werden, ermöglichen Betriebsfrequenzen von über 500 GHz.
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Sensordatenverarbeitung und Konnektivität
Sensordatenverarbeitung und Konnektivität
Eine effiziente Systemarchitektur muss die Verarbeitung von Sensordaten an der Quelle vor der Übertragung optimieren und zugleich Strategien etablieren, um mögliche Fehler und Störungen im Betrieb und in der Interkommunikation des Systems zu bewältigen.
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Protokolle und Sicherheit von Sensornetzwerken
Protokolle und Sicherheit von Sensornetzwerken
Je stärker Sensoren in unser Leben und in die Geräte um uns herum integriert werden, desto attraktiver werden sie als Ziele für Hacker. Der Informationsaustausch muss vor böswilligem Abfangen und Manipulieren von Daten geschützt werden. Forschende des IHP untersuchen und entwickeln sichere Kommunikationsstrategien, damit die Daten innerhalb des Netzwerks (Node-to-Node) und außerhalb des Netzwerks (Node-to-Cloud) geschützt sind.
Der Bedarf an energieeffizienten, drahtlosen Sensorsystemen mit hoher Bandbreite und Sicherheit ist ein zentraler Treiber unserer zunehmend vernetzten Gesellschaft. Dafür benötigen wir hochempfindliche Bauelemente, die in Massenfertigung hergestellt und in drahtlose Kommunikationssysteme integriert werden können, die den erfassten Datenstrom schützen. Die Kombination von Hardware und Software in Sensorsystemen erfordert energieeffiziente Designs, die die Betriebsdauer verlängern und zugleich die für Edge Computing benötigte Rechenleistung bereitstellen. So lässt sich unnötige Ressourcenverschwendung reduzieren.
Dank seiner besonderen Position kann das IHP Kundinnen und Kunden entlang seiner gesamten Wertschöpfungskette mit Prototypen und Beratung unterstützen: von neuartigen funktionalen Materialien über etablierte SiGe-basierte Technologien und High-End-Schaltungen für drahtlose, sichere Kommunikation bis hin zu Steuerungsprotokollen für die Netzwerkkonnektivität von Sensorsystemen. Ob bei konventionellen Anpassungen, neuartigen Prozessen, hoch experimentellen neuen Methodiken oder Materialien – das IHP verfügt über die Expertise, die Brücke zwischen Grundlagenforschung und industriellen Anwendungen zu schlagen.
