Abgeschlossene Projekte

Ziel dieses Vorhabens ist der Entwurf und Aufbau eines Machine Learning Systems, das über verschiedene Ebenen, von Sensorik bis zur Cloud, miteinander vernetzt und gesamtheitlich optimiert ist. Die Vorteile eines solchen Systems kann optimal durch den Einsatz neuster Radarsensorik demonstriert werden. Hierzu werden neuartige ML-Signalverarbeitungsalgorithmen zu Personenerkennung entwickelt, um eine hochauflösende Umfelderfassung für autonome Transportfahrzeuge zu realisieren. Der Fokus für das System soll auf Modularität, Wiederverwendbarkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit liegen, sowie dabei eine möglichst enge Verzahnung der Teilkomponenten aufweisen.

PassiveRadartechnologie stellt eine vielversprechende Ergänzung zu herkömmlichenRadarsystemen dar. Mit steigendem Druck aus Wirtschaft und Politik dasbegrenzte Spektrum, der für Telekommunikation und Ortung begrenztenFrequenzbänder vollumfänglich zu nutzen, steigt das Interesse an dieserTechnologie.

Ziel diesesForschungsvorhabens ist es die Technologie der Ortung durch passiveRadartechnik für die Nutzung in der zivilen Flugsicherung in Deutschland zuetablieren und neue Anwendungsbereiche zu erschließen.

Zur Verbesserungder Detektionsleistung werden verschiedene Möglichkeiten zum Aufbau einesfrequenzselektiven Analogempfängers für das FM-Band erarbeitet und in einbestehendes Passivradarsystem integriert. Für eine höchstmögliche Sensitivitätist dabei eine Filterung in verschiedenen Stufen des Empfängers unumgänglich.Diese muss jedoch, zusammen mit den frequenzumsetzenden Stufen, imGesamtsystemkontext evaluiert werden, um die Signalqualität, auch durchmögliche Imperfektionen der anlogen Realisierung, nicht zu degradieren. Füreine anschließende Verwertungsmöglichkeit ist ebenso auf eine optimale Balancezwischen Schaltungsaufwand, Kosten und Kompaktheit des Empfängers zu achten.Dazu werden die zu entwerfenden Empfängerarchitekturen zuerst inSystemsimulationen untersucht und bezüglich der Anforderungen aus der Anwendungbewertet. Anschließend erfolgt ein prototypischer Aufbau dervielversprechendsten Konzepte mit messtechnischer Verifikation derEinzelkomponenten und Evaluierung des Gesamtsystems in einem Feldtest.

Das grundlegende Ziel des ANDANTE-Projekts ist es, innovative Hardware-Plattformen zu nutzen, um starke Hardware-/Software-Plattformen für künstliche neuronale Netze (ANN) und Spiking Neural Networks (SNN) als Grundlage für künftige Produkte im Bereich Edge IoT zu schaffen, die extreme Energieeffizienz mit robusten neuromorphen Rechenfähigkeiten kombinieren und diese in wichtigen Anwendungsbereichen demonstrieren. Das Hauptziel von ANDANTE ist der Auf- und Ausbau des europäischen Ökosystems rund um die Definition, Entwicklung, Produktion und Anwendung neuromorpher Hardware durch eine effiziente gegenseitige Befruchtung zwischen großen europäischen Foundries, Chipdesignern, Systemhäusern, Anwendungsunternehmen und Forschungspartnern.

Bei Menschen mit chronischen Krankheiten werden in zunehmendem Maße Sensoren im oder am Körper eingesetzt, um den Gesundheitszustand der Patienten zu überwachen und frühzeitig Verschlechterungen erkennen zu können. Welche Daten hierbei sinnvollerweise erhoben werden, ist eine zunächst medizinisch-technische Frage. Mit der zunehmenden Verbreitung von mobiler Datenerfassung im Alltag und der Nutzbarkeit dieser Daten durch unterschiedliche Interessensgruppen wird allerdings klar, dass es sich hierbei auch um eine ethische Frage über die Datenhoheit handelt. Untersucht werden soll daher, wie Handlungsanweisungen für das Design von implantierbaren oder tragbaren medizinischen Sensorsystemen entwickelt werden können, sodass diagnostische, technische und auch ethische Anforderungen erfüllt werden. Die Frage umfasst dabei zwei Ziele: zum einen konkrete Handlungsanweisungen für Medizintechniker abzuleiten; zum anderen die methodische Frage, inwiefern sich die unterschiedlichen Anforderungen überhaupt gegeneinander abwägen lassen: Da Inkommensurabilität von Normen bereits innerhalb eines geschlossenen ethischen Ansatzes auftreten kann (z.B. Prinzipialismus), ist dies für die Anforderungen aus unterschiedlichen Disziplinen noch stärker zu erwarten.

Die stetig steigende Anzahl von agilen Internetnutzern mit gleichzeitig steigenden Datenvolumina, hervorgerufen insbesondere durch die Verwendung von mobilen Internet-, Video- und Cloud-Streamingdiensten ("Streaming on demand"), verursacht bereits jetzt Bandbreiteengpässe bei den bestehenden Daten- und Mobilkommunikationssystemen. Im Rahmen des Projektes MassiveData6G wird die aufkommende Bandbreitelimitierung bei bestehenden mobilen Kommunikationsinfrastrukturen so adressiert, dass zukünftig pro mobilem Nutzer mindestens 100 Gbit/s zur Verfügung gestellt werden können. Der hierzu notwendige energie- und kosteneffiziente 140 GHz Transceiver verwendet eine MIMO-Architektur mit mindestens 5 GHz Signalbandbreite und hoher spektraler Effizienz (512/1024 QAM-Signalmodulation). Darüber hinaus wird in diesem Projekt zur Adressierung des Massenmarktes eine kosten- und verlustleistungseffiziente 22-Nanometer FDSOI (fully-depleted silicon on insulator)  CMOS-Technologie (22FDX) eingesetzt, die nicht nur eine leistungsfähige Implementierung der digitalen Signalverarbeitungskomponenten erlaubt, sondern auch hervorragend für die 140 GHz RF-Komponenten geeignet ist.

Alternating-Contact Dünnschichttransistoren (ACTFTs)ermöglichen neue Freiheitsgrade für Bauelementeoptimierung und -einsatz. DiesesProjekt zielt speziell auf Möglichkeiten zur kostengünstigen Realisierung vonflexiblen RF-Schaltungen durch den Einsatz von kurzkanaligen ACTFTs mitselbstjustierten Kontakten ab. Mit den beiden Lehrstühlen für ElektronischeBauelemente sowie Technische Elektronik der FAU Erlangen-Nürnberg arbeiten zweiausgewiesene Einrichtungen der Halbleiterelektronik und RF-SchaltungstechnikHand in Hand an der integrierten Entwicklung von RF-Schaltungen und Systemen.Auf Basis von Metalloxid-ACTFTs werden Schlüsselkomponenten von Empfängern undSendern (z. Bsp. rauscharme Verstärker, Oszillatoren oder Mischer) aufflexiblen Substraten implementiert. Es werden neue Perspektiven für dünne,flexible Anwendungen in Industrie-, Consumer- sowie textiler/tragbarerElektronik aufgezeigt.

Millimeterwellen-Radargeräte sind unempfindlich gegenüber der Umgebung und daher für die automatische Bildgebung, z. B. bei der Gestenerkennung, unerlässlich. Im Gegensatz zur üblichen frequenzmodulierten Dauerstrichwellenform (FMCW) verwenden phasenmodulierte Dauerstrichwellenradare (PMCW) binär phasenumgetastete (BPSK) modulierte Signale, die im Empfänger digital verarbeitet werden. Da ihre Entfernungsauflösung jedoch von der Bandbreite abhängt, müssen für die gewünschte Anwendung höhere Frequenzbänder verwendet werden. Im Rahmen des REGGAE-Projekts wird das LTE einen integrierten PMCW-Radarsender entwickeln, der im D-Band mit einer Mittenfrequenz von 140 GHz und einer Bandbreite von 25 GHz arbeitet. Die Schaltkreise werden in einer fortschrittlichen 22-nm-FDSOI-Technologie (fully-depleted silicon on insulator) realisiert, die modernste Millimeterwellenleistung in Kombination mit wettbewerbsfähigen digitalen Zellen bietet. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern vom KIT und der TUD werden wir einen kompletten Demonstrator mit vier Sende- und acht Empfangskanälen realisieren, der in der Lage ist, Handgesten zu erkennen.

Am 1. Mai 2018 startete das Forschungs- und Innovationsprojekt PRYSTINE, unter gemeinsamer Finanzierung der Europäischen Union durch ECSEL und den nationalen Regierungen der ECSEL-Mitgliedstaaten. Der Lehrstuhl für Technische Elektronik repräsentiert im Konsortium von über 50 europäischen Partnern die FAU.
Unter den tatsächlichen Trends, die die Gesellschaft in den kommenden Jahren beeinflussen werden, zeichnet sich das autonome Fahren insbesondere durch das Potenzial aus, die Automobilindustrie, wie wir sie heute kennen, zu verändern. In der Folge wird dies auch die Halbleiterindustrie stark beeinflussen und neue Marktchancen eröffnen, da Halbleiter als „Enabler“ für autonome Fahrzeuge eine unverzichtbare Rolle spielen. Autonomes Fahren wurde als eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Bewältigung der gesellschaftlichen Herausforderungen einer sicheren, sauberen und effizienten Mobilität identifiziert. Dazu ist ein ausfallsicheres Verhalten unerlässlich, um sicherheitskritische Situationen aus eigener Kraft zu bewältigen. Dies wird mit heutigen Ansätzen auch aufgrund fehlender zuverlässiger Umgebungswahrnehmung und unzureichender Sensorfusion nicht erreicht.
Im Projekt mit dem Titel „Programmable Systems for Intelligence in Automobiles“ (PRYSTINE) geht es im Allgemeinen darum, eine robuste und ausfallsichere rundum Wahrnehmung der Umgebung von Fahrzeugen zu realisieren. Mittels robuster Sensordatenfusion von Radar-, LiDAR- und Kameradaten, sowie ausfallsicheren Steuerungsfunktionen, soll möglichst sicheres autonomes Fahren in städtischer und ländlicher Umgebung ermöglicht werden.
Am Lehrstuhl für Technische Elektronik soll im Rahmen von PRYSTINE eine robuste Umwelterfassung und Bildgebung mittels MIMO Radarsensoren erfolgen. Hierbei sollen auch unterschiedliche Einflüsse und Szenarien, wie zum Beispiel Funkinterferenzen oder die Detektion im Nahfeld für Automobilradare betrachtet werden. Des Weiteren sollen Teile der traditionellen Radarsignalverarbeitungskette, von der Interferenzreduktion, bis hin zu Detektion, Klassifikation und Tracking von Verkehrsteilnehmern, schrittweise durch maschinelles Lernen ersetzt werden.
Vollständige Informationen über dieses Projekt finden Sie auf der offiziellen Website: www.prystine.eu

Motivation

In der Pflege schwerkranker Menschen ist die Erfassung von Atmung und Herzschlag zur Krisenerkennung ein wichtiges Hilfsmittel. Die bisher hierfür notwendige Ableitung über Elektroden und Kabel ist störanfällig und schränkt Pflegebedürftige in ihrer Selbstbestimmung und Lebensqualität ein. Das Projekt GUARDIAN soll die berührungslose und kontinuierliche Erfassung von Vitalparametern ermöglichen.

Ziel und Vorgehen

In GUARDIAN wird die berührungslose Erfassung der Vitalparameter aus mehreren Metern Entfernung mittels eines multimodalen Hochfrequenzsensors entwickelt. Hierfür wird ein schwaches elektromagnetisches Hochfrequenzsignal ausgesandt und dessen Veränderung analysiert. Aufgrund der hohen Distanzauflösung können Bewegungen, die Atmung und Herzschlag hervorrufen, aus dem Messsignal extrahiert und analysiert werden. Dabei sind überlagerte Bewegungsartefakte zu kompensieren. GUARDIAN wird somit ermöglichen, Beschwerden wie Schmerzen und Luftnot sowie Gesundheitskrisen wie Herzrhythmusstörungen und Herzkreislaufstillstand umgehend und automatisiert zu erkennen. Gleichzeitig sollen die ethischen, rechtlichen und sozialen Fragen des Verfahrens sowie dessen Auswirkungen auf die Palliativ- und Intensivpflege, Pflegebedürftige, Pflegefachkräfte und Angehörige intensiv untersucht werden.

Innovation und Perspektiven

Durch den Einsatz der Sechstor-Interferometrie als neues Konzept werden alle Körperbewegungen mit bisher nicht erreichter Distanzauflösung im Mikrometerbereich berührungslos aus bis zu mehreren Metern Abstand erfasst und Atmung sowie Herzschlag extrahiert. Die Konsortialpartner sehen in der zu entwickelnden Technologie ein hohes Potential beim Gesundheits- und Beschwerdemonitoring Pflegebedürftiger in Krankenhäusern, allerdings auch im ambulanten Bereich in Pflegeheimen und zuhause.

Das Projektziel von Mobile-BAT ist der Aufbau eines miniaturisierten Langzeit-Ortungsmoduls zur automatisierten Routen-Erfassung wandernder Fledermausarten basierend auf extrem stromsparenden, passiven Loggen von Mobilfunksignalen. Dieses Modul soll als Datenlogger auf dem Rücken von Fledermäusen befestigt werden und die Wanderroute in einer Genauigkeit erfassen, die bezüglich der örtlichen und zeitlichen Auflösung Rückschlüsse auf die Wahl der Route des Tieres zulässt. Um eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Fledermäuse zu vermeiden und das natürliche Verhalten so wenig wie möglich zu beeinflussen, muss der gesamte Sensorknoten, bestehend aus der Batterie, Schaltungsträger und Antennensystem weniger als 2 Gramm wiegen und einen angemessenen Formfaktor besitzen. Aufgrund der geforderten Laufzeit zum Erfassen einer Zugperiode von bis zu sechs Monaten muss ein Konzept gefunden werden, welches die Fixierung des Sensorknotens über diesen langen Zeitraum mit minimalen Einschränkungen für das Tier und aus limitierten Energieressourcen den Ortungsbetrieb während dieser Zeitspanne ermöglicht. Die Logger werden nach Rückkehr und Fang der Fledermäuse wiedergewonnen und ausgewertet. Zur Erleichterung des Auffindens wird der Sensorknoten nach Erkennen der Rückkehr ein leistungsschwaches VHF-Signal zur automatischen Peilung aussenden. Aus den empfangenen und aufgezeichneten Empfangsparametern der Mobilfunkbasisstationen werden die Flugroute und der Migrationsfortschritt mit maximaler Genauigkeit abgeleitet. Hierzu werden in einem neuen Ansatz in Ausbreitungsmodellen für Mobilfunksignale auch topografische Informationen berücksichtigt, was eine automatisierte Berechnung der zu erwartenden Signalkonstellation an beliebigen Koordinaten ermöglicht. Die vom Sensorknoten gespeicherten Basisstationsdaten werden auf diese Datenbank abgebildet und zu einer konkreten Position verrechnet. Vorteilhaft ist hierfür, dass durch den passiven Systemansatz ohne ein Einbuchen in ein bestimmtes Mobilfunknetz alle verfügbaren Basisstationssignale in allen möglichen Mobilfunkbändern, unabhängig von einem bestimmten Provider, für die Positionsbestimmung genutzt werden können, was die Zahl der möglichen Messpunkte pro Koordinate stark erhöht und in einer genaueren Position resultieren wird.Das Projekt Mobile-BAT wird erstmals wissenschaftlich belastbare Einblicke in die Migrationsstrategien wandernder Fledermäuse ermöglichen. über den konkreten Anwendungsfall hinaus wird erwartet, dass die neuartige passive mobilfunkbasierte Ortung grundlegende Erkenntnisse zur extrem stromsparenden Eigenortung im Bereich ressourcenlimitierter drahtloser Sensornetze und Internet of Things für den Einsatz in nahezu allen Ländern der Welt liefert.

Reliability and radiation damage issues have a long and important history in the domain of satellites and space missions. Qualification standards were established and expertise was built up in space agencies (ESA), supporting institutes and organizations (CNES, DLR, etc.) as well as universities and specialized companies. During recent years, radiation concerns are gaining attention also in aviation, automotive, medical and other industrial sectors due to the growing ubiquit…

In aktuellen Dünnschichttransistoren (Thin-Film Transistors, TFTs) werden Source- und Drainkontakte einheitlich oberhalb oder unterhalb des Halbleiters angebracht. Die Kontaktierung auf gegenüberliegenden Seiten in Alternating Contact TFTs (ACTFTs) ermöglicht neue Freiheitsgrade für Bauelementeoptimierung und -einsatz. Dieses Projekt zielt speziell auf Möglichkeiten zur kostengünstigen Realisierung von Kurzkanal-ACTFTs für den Einsatz in RF-Schaltungen ab.Mit den beiden Lehrstühlen für Elektronische Bauelemente sowie Technische Elektronik der FAU Erlangen-Nürnberg arbeiten zwei ausgewiesene Einrichtungen der Halbleiterelektronik und RF-Schaltungstechnik gemeinsam an der integrierten Entwicklung von RF-ACTFTs und daraus abgeleiteten Schaltungen und Systemen. Auf Basis von Metalloxid-TFTs werden Bauelementphysik, RF-Verhalten und neue Schaltungsansätze erforscht und neue Perspektiven für dünne, flexible Anwendungen in Industrie-, Consumer- sowie textiler/tragbarer Elektronik aufgezeigt.

Zur Erforschung des Verhaltens von Fledermäusen soll im Projekt ein Sensorsystem entworfen werden. Diese Sensoren müssen auf der Fledermaus angebracht werden, um die Fledermaus im Flug zu orten. Damit sie unbeeinträchtigt ist, muss der Sensorknoten leicht und sehr kompakt sein. In dem hier vorgestellten Teilprojekt soll die Modul-Integration der miniaturisierten drahtlosen Sensorknoten mit Ortungsfunktionalität erfolgen. Für den avisierten Einsatz auf einer fliegenden Fledermaus sind dabei die wichtigsten Randbedingungen ein minimales Gesamtgewicht (max. 2 Gramm inklusive Batterie, Schaltungsträger und Antenne) und ein Formfaktor, der die Fledermaus in ihren natürlichen Bewegungen nicht einschränkt. Für dieses Teilprojekt stellen diese beiden Vorgaben eine große Herausforderung an den Entwurf einer Multiband-Antennenlösung dar, die sowohl in ihrer Geometrie stark verkürzt als auch dreidimensional an den Körper der Fledermaus anzupassen ist. Auch die Aerodynamik muss hierbei berücksichtigt werden. Neben einer Ortungsfunktionalität, die durch Integration des in TP 8 entworfenen Ortungs-ICs realisiert wird, soll auch eine Kommunikation zwischen verschiedenen Sensorknoten möglich sein. Um die Lebensdauer der eingesetzten Batterie zu maximieren und das zu entwerfende Energiemanagement des Moduls zu entlasten sollen energieeffiziente Übertragungsprotokolle untersucht werden. Durch die Staffelung der Arbeitspakete wird nach einer Realisierung der Grundfunktionalität im ersten Schritt die Komplexität des mobilen Sensorknotens durch Hinzunahme weiterer Funktionen nach und nach erhöht und gipfelt zum Projektende in einem leichten und miniaturisierten drahtlosen Sensorknoten mit Lokalisierungs- und Kommunikationsschnittstelle für den Einsatz auf einer fliegenden Fledermaus.

Teilprojekt 2 beschäftigt sich mit der multiphysikalischen Modellentwicklung und Optimierung mikroakustischer MEMS‐Komponenten. Dabei werden die Schwerpunkte auf die Charakterisierung und Simulation verschiedener BAW‐Komponenten gelegt. Je nach Einsatz der jeweiligen Komponenten in dem im Rahmen der gesamten Forschergruppe zu entwerfenden mikroelektromechanischen Frontend wird der Fokus vor allem auf die Leistungsverträglichkeit, das Temperaturverhalten und die Analyse von Nichtlinearitäten gerichtet, da starke Temperatureinflüsse und hohe Leistungen zu unerwünschten Frequenzverschiebungen, Schädigungen und Alterung der Bauelemente führen. Parallel dazu werden Schnittstellen mit den anderen Teilprojekten der Forschergruppe MUSIK identifiziert und entwickelt, um elektrische und thermische Wechselwirkungen zwischen den Bauelementgruppen berücksichtigen sowie die komplementären Modellansätze zu einer ganzheitlichen und durchgängigen Modellierung der resultierenden HF‐MEMS‐Schaltung zusammenführen zu können. Aus der Bauteilanalyse gewonnene Daten führen zu Modellen für die Beschreibung des temperaturabhängigen übertragungsverhaltens, welche anschließend bei der Optimierung des Entwurfs eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt wird die thermische Interaktion zwischen wichtigen Komponenten des MEMS‐Funksystems wie Oszillatoren, Leistungsverstärkern und passiven Komponenten erforscht.

In dem Forschungsvorhaben „Smart Sensors B" wird im Rahmen des Spitzenclusters Medical Valley an einem hochfrequenzbasiertem Sensorknoten zur nicht-invasiven Messung von Blutparametern gearbeitet. Die elektrische Eigenschaften erfahren eine Konzentrationsabhängige, charakteristische änderung. Diese änderungen lassen sich mit immer kostengünstigeren, integrierten Hochfrequenzschaltungen nicht-invasiv ermitteln. Letzteres könnte zukünftig eine portable, automatisierbare Langzeitmessung diverser Blutparameter erlauben.