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Main Title: Integrated low-power millimeter-wave sensor circuits for biomedical applications
Translated Title: Integrierte Low-Power-Millimeterwellen-Sensorschaltungen für biomedizinische Anwendungen
Author(s): Jamal, Farabi Ibne
Advisor(s): Kissinger, Dietmar
Referee(s): Wenger, Christian
Schumacher, Hermann
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This work presents the design, implementation and demonstration of high-frequency integrated self-sustained dielectric sensor circuits for biomedical applications.Resonance sensing technique has been introduced in this work by using planar microstrip open- and shunt-stubs as the sensing elements at K-band frequencies. The sensing stubs have been employed in Colpitts oscillators as resonators and are targeted to be in contact to the materials under test, sothat they can transform the magnitude of permittivities and conductivities into corresponding oscillation frequencies and output powers respectively.Readout circuits were also developed to transform the output signal from frequency domain into flexible DC output. They are consisted of power detectors, frequency discriminators and temperature sensors. The integrated circuits were fabricated in IHP SG25 (250 nm) and IHP SG13 (130 nm) SiGe BiCMOS processes. The sensors were measured in frequency and time domain, and also validated with standard laboratory dielectric materials.The sensor developed during this work stands as one of the few fully integrated and self-sustained dielectric sensors capable of characterizing complex permittivity in high-frequency domain reliably and accurately along with miniaturized form-factor and low power consumption. The developed microchips offer a powerful solution for highly integrated implantable medical devices and lab-on-chip applications.
Die vorliegende Arbeit beschreibt den Entwurf, die Implementierung unddie Demonstration von hochfrequenten Schaltungen im Bereich integrierter, Sensorik zur Messung von Permittivität biomedizinischer Proben. Es wird eine resonante Messmethode vorgestellt, bei der planare Mikrostreifenleiter in Form von Stichleitungen als Sensorelement zum Einsatzkommen. Diese sind entweder als leerlaufende oder parallele Stichleitungverschaltet und für den Einsatz bei K-band Frequenzen dimensioniert. Die Sensorstichleitungen stehen in Kontakt zu den untersuchten Materialienund kommen als reaktive Elemente in Collpitts-Oszillatoren zum Einsatz.Dadurch spiegelt sich die komplexe Permittivität dieser Materialien in der Schwingfrequenz und der Ausgangsleistung des Oszillators wider.Darüber hinaus werden Ausleseschaltungen bestehend aus Leistungsdetektoren, Frequenzdiskriminatoren und Temperatursensoren vorgestellt, welche die Ausgangssignale der Oszillatoren auswerten und in äquivalente Gleichspannungen umwandeln. Die Mikrochips wurden in den SiGe basierten BiCMOS Technologien IHP SG25 (250 nm) und IHP SG13 (130nm) hergestellt. Die Sensoren wurden im Frequenz- und im Zeitbereichgemessen und mitüblichen Labor Materialien als dielektrische Probe validiert. Diese Arbeit repräsentiert eins der wenigen selbsttragenden vollintegrierten dielektrischen Sensorsysteme. Der entwickelte Sensor misst zuverlässigund genau komplexwertige Permittivität bei hohen Frequenzen. Durch densehr kleinen Formfaktor und die niedrige Leistungsaufnahme stellen dieentwickelten Mikrochips eine leistungsstarke Lösung für hoch integriertemedizinische Implantate und Lab-On-Chip Systeme dar.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12408
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11250
Exam Date: 30-Apr-2020
Issue Date: 2021
Date Available: 26-Jan-2021
DDC Class: 004 Datenverarbeitung; Informatik
600 Technik, Technologie
Subject(s): permittivity
bio-sensor
integrated sensor
K-band
oscillator
Permittivität
Bio-Sensorik
integrierter Sensor
K-Band
Oszillator
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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