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Microwave and millimeter-wave interferometers for contactless characterization of dielectric biomedical samples : = Mikrowellen- und Millimeterwelleninterferometer zur kontaktlosen Charakterisierung biomedizinischer Dielektrika
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2018
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 24.05.2018
ger: Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Evaluierung von hochsensitiven elektrischen Interferometern zur Messung von Permittivität biomedizinischer Materialien. Das Ziel ist die Implementierung eines dielektrischen Sensors, welcher kontaktlose Messungen biomedizinischer Proben ohne den Einsatz optischer Marker ermöglicht. Dazu werden zunächst verschiedene Sensormethoden untersucht. Im Anschluss wird das Zusammenspiel unterschiedlicher Ausleseschaltungen mit der jeweiligen Sensorik behandelt, so dass die finale Strategie für eine optimale Messmethode bestimmt werden kann. Das elektrische Interferometer erweist sich dabei als am besten geeignet und wird daher zunächst auf einer Leiterkarte im Mikrowellenfrequenzbereich realisiert. Die gewählte Strategie zur Miniaturisierung des Sensors für die Integration in mikrofluidische Aufbauten ist Skalierung. Der Einsatz hoher Frequenzen ermöglicht eine Verkleinerung der Schaltungskomponenten, so dass Sensor- und Probendimensionen vergleichbar sind. Es wird ein Millimeterwelleninterferometer als integrierter Schaltkreis für den Betrieb bei 120 GHz entwickelt. Die genutzte Technologie basiert auf einem 130 nm BiCMOS Prozess mit einer ft/fmax-Charakteristik von 240 GHz/330 GHz. Der finale Chip enthält einen spannungsgesteuerten 120 GHz Oszillator mit einem Durchstimmbereich von 7 GHz. Ein Frequenzteiler mit einer Teilerrate von 64 erzeugt Ausgangssignale für den Betrieb mit einem externen Phasenregelkreis. Zusätzlich enthält der finale Chip digital gesteuerte Phasenschieber, die auf dem Konzept eines Slow-Wave-Wellenleiters basieren. Das System ermöglicht automatisierte und kontaktlose Überwachung der Permittivität von biomedizinischen Proben. Der Sensor-Chip ist somit ein leistungsfähiges Instrument für biomedizinische Messanwendungen und Lab-on-Chip Systeme.
eng: This thesis describes the development and evaluation of highly sensitive interferometers for permittivity measurements of biomedical materials. The objective is to engineer a sensor system enabling label-free and contactless characterization of dielectric samples. Initially,various sensing methods are discussed and compared. Subsequently, different approaches serving as read-out circuits suiting the investigated sensors are reviewed. The performance of sensors along with the respective read-out technology are compared to each other leading to the final method of choice: The interferometer is identified to be the best suited technique. It is initially realized on a printed circuit board at microwave frequencies for experimental investigations. The selected strategy to realize an extremely compact sensor that can be integrated into microfluidic systems is scaling. Subsequently, millimeter-wave frequencies are inspected on suitability for permittivity measurements. Finally, the interferometer architecture is scaled to work at 120 GHz and fabricated in a 130 nm BiCMOS process featuring an ft/fmax of 240 GHz/330 GHz. The resulting system includes a 120 GHz voltage-controlled oscillator with a tuning range of 7 GHz. It features a divide-by-64 circuit to enable external phase-locked loop stabilization. Additionally, the final chip set contains high-precision and high-resolution phase shifters based on a slow-wave transmission line approach with digital control to provide direct readout ability. The system enables automated, contactless and label-free permittivity monitoring for biomedical purposes. Hence, it represents a powerful solution for biomedical sensing applications and it provides a platform for future lab-on-chip devices.