Quantenbasierte Sensorik zur Erfassung und Diskretisierung von Strömen für EMK-Wägesysteme
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Mario Kittler
Mario Kittler studierte Elektro- und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau und promovierte 2005 auf dem Gebiet der Mikroelektronik und Sensorik zum Thema “NonClassical CMOS“. Seit 1996 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Ilmenau. In den Fachgebieten Festkörperelektronik und Nanobiosystemtechnik war er an der Entwicklung alternativer Bauelementkonzepte für den Einsatz in CMOS-Schaltungen beteiligt und arbeitete auf dem Gebiet der Sensoroptimierung für medizinische Life Science Anwendungen. Im Juni 2018 wechselte er in das Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik. Hier umfasst sein Forschungsprofil die Entwicklung und Auslegung supraleitender Systeme für sensorische Anwendungen.
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Gunter Krapf
Gunter Krapf studierte Maschinenbau an der TU Ilmenau, wo er seit 2003 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik tätig ist. Seitdem beschäftigt er sich mit metrologischen Fragestellungen im Bereich der hochpräzisen Thermometrie, Kraftmesstechnik sowie dimensionellen Messtechnik und insbesondere mit der Entwicklung und Untersuchung entsprechender Messsysteme.
Hannes Töpfer studierte Elektrotechnik an der TU Ilmenau und arbeitete anschließend von 1991 bis 2002 als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik. Er beschäftigte sich mit dem Entwurf von supraleitenden SQUID-Sensoren und promovierte 1996 zum Dr.-Ingenieur. Im Jahr 2003 habilitierte er an der Technischen Universität Ilmenau zur Thematik supraleitender Digitalelektronik (RSFQ). Seit 2002 ist er am Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS gGmbH) in Ilmenau tätig und leitet dort die Abteilung System Design mit den Forschungsschwerpunkten Embedded Systems und Sensornetzwerke. Im Juni 2009 wurde er zum Professor für Theoretische Elektrotechnik an der Technischen Universität Ilmenau berufen und leitet darüber hinaus das Advanced Electromagnetics Lab. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte seiner Arbeit sind die Anwendung der elektromagnetischen Theorie mit einem besonderen Fokus auf elektromagnetische Sensoren. Er ist Mitglied des IEEE. Seit Oktober 2019 ist Hannes Töpfer Dekan der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.
Thomas Fröhlich studierte
Technische und biomedizinische Kybernetik sowie Mathematik an der TU Ilmenau. Am hier angesiedelten Institut für Prozessmess- und Sensortechnik arbeitete er im Anschluss im Bereich der Thermometrie sowie der Massemetrologie, wobei im Jahr 1998 seine Promotion zum Dr.-Ing. erfolgte. Ab 2001 war er für die Entwicklung von Wägesystemen höchster Präzision bei der Sartorius AG Göttingen als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Im Jahr 2006 erfolgte mit diesem Hintergrund die Habilitation zum ThemaTemperaturkompensation von Präzisionsmessgeräten . Im Jahr 2009 wurde Thomas Fröhlich zum Professor für Prozessmesstechnik an der TU Ilmenau berufen und ab 2010 zum Leiter des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik. Seit 2019 ist Thomas Fröhlich Dekan der Fakultät für Maschinenbau an der TU Ilmenau.
Zusammenfassung
Hochpräzise Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK), wie Massekomparatoren, finden trotz Neudefinition der Einheit Kilogramm weiterhin Anwendung bei der Realisierung sowie Weitergabe einer praktischen Masseskale, indem sie metrologische Massevergleiche anhand des elektrischen Stromes als Zwischengröße ermöglichen. Gleichzeitig haben Quanteninterferometer auf Basis einer supraleitenden Hochgeschwindigkeitselektronik das Potential, kleinste Änderungen des magnetischen Flusses im Femtotesla-Bereich aufzulösen und eröffnen somit einen alternativen Ansatz zum Erfassen kleinster Stromdifferenzen. Die Kombination dieser bislang größtenteils nur für Fundamentalexperimente in der elektrischen Metrologie ausgenutzten quantenelektrischen Effekte mit Systemen der Präzisionskraftmessung ist eine neuartige Ausgangsbasis zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Referenzsysteme. Insbesondere bietet die Anwendung eines quantenbasierten Analog-zu-Digital-Wandlers ein deutliches Potential zum Erschließen bisher unerreichter Genauigkeiten. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse erster experimenteller Arbeiten zum Nachweis des grundlegenden Funktionsprinzips präsentiert. Darüber hinaus erfolgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie des Entwicklungspotentials des vorgestellten quantenbasierten Stromsensors für hochpräzise EMK-Wägesysteme.
Abstract
Despite the redefinition of the unit kilogram, high-precision scales based on the principle of electromagnetic force compensation (EMFC), like mass comparators, will continue to be reference systems for realizing and transferring the practical mass scale. Their application allows metrological mass comparisons using electric currents as intermediate quantity. At the same time, quantum interferometers based on high-speed superconducting electronics possess the potential to resolve extremely small changes in magnetic flux in the femtotesla range and seem to be an alternative solution for measuring lowest current differences. Up to now, they have been largely exploited only for fundamental experiments in electrical metrology. Combining these quantum electric effects with precision force measurement systems is a novel approach to improve the measurement accuracy of corresponding reference systems. In particular, the implementation of quantum-based analog-to-digital converters offers great potential for unlocking previously unattainable levels of accuracy. In this paper, the results of initial experimental works are shown which are demonstrating basic operating principles. In addition, estimations concerning the performance and development potentials of the introduced quantum-based system as a precise current sensor for applications in high-precision weighing systems is provided.
Über die Autoren
Mario Kittler studierte Elektro- und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau und promovierte 2005 auf dem Gebiet der Mikroelektronik und Sensorik zum Thema “NonClassical CMOS“. Seit 1996 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Ilmenau. In den Fachgebieten Festkörperelektronik und Nanobiosystemtechnik war er an der Entwicklung alternativer Bauelementkonzepte für den Einsatz in CMOS-Schaltungen beteiligt und arbeitete auf dem Gebiet der Sensoroptimierung für medizinische Life Science Anwendungen. Im Juni 2018 wechselte er in das Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik. Hier umfasst sein Forschungsprofil die Entwicklung und Auslegung supraleitender Systeme für sensorische Anwendungen.
Gunter Krapf studierte Maschinenbau an der TU Ilmenau, wo er seit 2003 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik tätig ist. Seitdem beschäftigt er sich mit metrologischen Fragestellungen im Bereich der hochpräzisen Thermometrie, Kraftmesstechnik sowie dimensionellen Messtechnik und insbesondere mit der Entwicklung und Untersuchung entsprechender Messsysteme.
Hannes Töpfer studierte Elektrotechnik an der TU Ilmenau und arbeitete anschließend von 1991 bis 2002 als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik. Er beschäftigte sich mit dem Entwurf von supraleitenden SQUID-Sensoren und promovierte 1996 zum Dr.-Ingenieur. Im Jahr 2003 habilitierte er an der Technischen Universität Ilmenau zur Thematik supraleitender Digitalelektronik (RSFQ). Seit 2002 ist er am Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS gGmbH) in Ilmenau tätig und leitet dort die Abteilung System Design mit den Forschungsschwerpunkten Embedded Systems und Sensornetzwerke. Im Juni 2009 wurde er zum Professor für Theoretische Elektrotechnik an der Technischen Universität Ilmenau berufen und leitet darüber hinaus das Advanced Electromagnetics Lab. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte seiner Arbeit sind die Anwendung der elektromagnetischen Theorie mit einem besonderen Fokus auf elektromagnetische Sensoren. Er ist Mitglied des IEEE. Seit Oktober 2019 ist Hannes Töpfer Dekan der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.
Thomas Fröhlich studierte Technische und biomedizinische Kybernetik sowie Mathematik an der TU Ilmenau. Am hier angesiedelten Institut für Prozessmess- und Sensortechnik arbeitete er im Anschluss im Bereich der Thermometrie sowie der Massemetrologie, wobei im Jahr 1998 seine Promotion zum Dr.-Ing. erfolgte. Ab 2001 war er für die Entwicklung von Wägesystemen höchster Präzision bei der Sartorius AG Göttingen als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Im Jahr 2006 erfolgte mit diesem Hintergrund die Habilitation zum Thema Temperaturkompensation von Präzisionsmessgeräten. Im Jahr 2009 wurde Thomas Fröhlich zum Professor für Prozessmesstechnik an der TU Ilmenau berufen und ab 2010 zum Leiter des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik. Seit 2019 ist Thomas Fröhlich Dekan der Fakultät für Maschinenbau an der TU Ilmenau.
Danksagung
Die vorgestellten Arbeiten erfolgten im Rahmen des großzügig von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderten Projektes QuMeT, wofür sich die Autoren an dieser Stelle recht herzlich bedanken möchten.
Literatur
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© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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