Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Vergleichend anatomische Studien an den nasalen und vomeronasalen olfaktorischen Organen der Anuren unter funktionsmorphologischen und phylogenetischen Aspekten

Gegenüber anderen sensorischen Systemen wie z. B. optischer oder akustischer Wahrnehmung wurde der olfaktorische Sinn der Anuren von wissenschaftlicher Seite her in der Vergangenheit eher vernachlässigt. Dementsprechend gering sind auch die Erkenntnisse bezüglich der biologischen Bedeutung von Gerüchen für die Froschlurche sowie das Verständnis der damit verbundenen physiologischen Abläufe. Wie die meisten Tetrapoden besitzen auch Anuren ein mehrteiliges Geruchsorgan, welches im Wesentlichen aus dem klassischen olfaktorischen sowie dem vomeronasalen System besteht. Das klassische olfaktorische Organ nimmt bekanntermaßen flüchtige Geruchsstoffe aus der Atemluft wahr. Über die Aufgaben des Vomeronasalorgans - auch Jacobsonsches Organ genannt - herrscht allgemein noch Uneinigkeit. Es ist bekannt, dass dieses flüssigkeitsgefüllte Organ bei verschiedenen Gruppen der Landwirbeltiere durch die Wahrnehmung von Pheromonen sowohl an der sozialen Interaktion beteiligt ist, als auch auf andere olfaktorische Stimuli wie z. B. Futtergeruch reagiert. Verschiedene Untersuchungen am Vomeronasalorgan der Säuger konnten zeigen, dass bei diesen Tieren ein intranasales Pumpsystem existiert, welches Geruchsstoffe und Flüssigkeit innerhalb der Nase bewegt und so das blindsackförmige Organ mit Geruchsinformationen versorgt. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurde auf der Basis einer breit angelegten anatomischen Studie der nasalen Strukturen unterschiedlicher Anuren der Versuch einer tiefergehenden Funktionsanalyse der olfaktorischen Organe vorgenommen. Dabei wurden die nasalen Baupläne aller wichtigen systematischen Gruppen der anuren Amphibien verglichen. Zur Unterstützung der histologischen Daten wurde ein digitales dreidimensionales Modell der Nasenhöhlen erstellt, sowie Vitalfärbungen mit einem fluoreszierenden Farbstoff durchgeführt. Die anatomischen Befunde der Untersuchung liefern deutliche Hinweise darauf, dass Anuren - ähnlich wie Säuger - einen vasomotorischen Pumpmechanismus zur Befüllung des Vomeronasalorgans besitzen. Des Weiteren wurden basierend auf den hier gewonnenen Daten Theorien zu unterschiedlichen Details des intranasalen Transports sowie der Aufnahme olfaktorischer Stimuli bei Anura aufgestellt. Die Untersuchung macht außerdem deutlich, dass bei Anuren vier voneinander unabhängige olfaktorische Systeme existieren. Darüber hinaus werden anhand der gewonnenen Erkenntnisse einige Aspekte phylogenetischer Zusammenhänge bezüglich der Entstehung der verschiedenen Geruchssysteme innerhalb der Vertebraten neu diskutiert.