Titel: Freie Lösungen für die Offene Weltraum-Strahlungs-Problematik Als Chance zur Erweiterung der Weltraumforschung

Das BMBF fördert im Rahmen seiner Mikroelektronik-Programme mit dem Programm Design-Instrumente für souveräne Chipentwicklung mit Open-Source (DE:Sign) das Projekt FLOWSPACE.

Die aktuellen Entwicklungen im Bereich der sogenannten CubeSats, Kleinstsatelliten nur unwesentlich größer als eine Getränkedose und mit einer Masse von unter 2 kg, tragen dazu bei, den Zugang zum Weltraum zu sozialisieren. CubeSats werden als sekundäre Nutzlasten mit größeren Satelliten gestartet und ermöglichen kostengünstige Starts sowie erhöhte Zugänglichkeit für Bildungseinrichtungen, Start-ups und kleine Unternehmen.

Ihr aus Kosten- und Gewichtsgründen einfacher Aufbau erlaubt jedoch kaum Abschirmung seiner beherbergten elektronischen Baugruppen gegen Weltraumstrahlung, weshalb Strahlenfestigkeit auf Basis der Technologie und Entwurfsmethodiken erreicht werden muss. Bisher wurden proprietäre Abläufe im Design von Mixed-Signal-Schaltungen genutzt, was jedoch einen enormen Kostenfaktor darstellt, vor allem für kleinere Unternehmen.

Das Konsortialprojekt FLOWSPACE verfolgt das Ziel, strahlungsfeste Designs für die Open Source Community zugänglich zu machen. Es basiert auf der 130nm-Technologie des Leibniz Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) mit dem offenen IHP 130 G2 Process Design Kit (PDK), um ein offenes und strahlungshartes PDK mit entsprechenden Bauelementen und Standardzellen zu erzeugen.

Ein wichtiger Teilaspekt bei den Entwurfsmethodiken für strahlenharte Schaltungen fällt dabei dem Team des Fachgebiets Elektronische Bauelemente und Schaltungen (EBS) der UDE zu, das als Konsortialpartner für das Electronic-Design Automation Tool (EDA), also das Simulationsprogramm für den Schaltungsentwurf zuständig ist. Dabei soll das bereits existierende offene EDA-Tool ngspice, für die Simulation von Alterungseffekten, Harmonic-Balance Bestimmung, Einfluss von strahlungsbasierten Single Event Upsets (SEU) und die Evaluierung der Strahlungsfestigkeit in Bezug auf die Total Ionizising Dose (TID), also der durch die Weltraumumgebung verabreichten Strahlendosis weiterqualifiziert werden.

Als einer der heutigen Hauptentwickler von ngspice ist dabei der frühere EBS-Professor Holger Vogt maßgeblich beteiligt, der sich nach seiner aktiven Zeit an der UDE und am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), an dem er Technologieleiter war, ganz der Weiterentwicklung diese EDA-Tools gewidmet hat.

Im Rahmen dieses DFG-Projektes soll ein sich selbst adaptierendes LiDAR (Light Detection and Ranging) System entstehen, welches eine präzise Erfassung der Umgebung auch unter wechselnden Umgebungseinflüssen wie starkem Sonnenlicht oder Nebel bietet.

Zudem sollen die während einer Messung entstehenden großen Datenmengen reduziert werden. Wichtiger Bestandteil des Projektes ist die Anwendung von Algorithmen, die auf Methoden des maschinellen Lernens (ML) basieren. Die LiDAR-Technologie ist eine Schlüsseltechnologie und daher bietet sich für LiDAR-Sensoren ein breites Anwendungsfeld angefangen von Fahrassistenzsysteme im Automotive-Bereich, über die Robotik bis hin zu Anwendungen in der Automatisierung und in Sicherheitssystemen.

Die Hauptaufgabe von LiDAR ist die Detektion und die Abstandsbestimmung von Objekten. Der Abstand zu einem Objekt wird über das direct Time-of-Flight (d-TOF)-Messverfahren bestimmt, bei dem die Laufzeit zwischen der Aussendung eines Laserpulses, der Reflexion am Objekt und der anschließenden Detektion des rückreflektierten Pulses gemessen wird.

Zum Einsatz kommt ein Flash LiDAR-Sensor, bei dem die komplette Szenerie mithilfe eines aufgeweiteten Laserpulses erfasst wird. Der Detektor besteht aus Single Photon Avalanche Dioden (SPAD), die bereits durch das Auftreffen eines einzelnen Photons ausgelöst werden können.

Die TOF wird über einen Time-to-Digital Converter (TDC) in einen digitalen Timestamp (TS) umgewandelt. Aus der statistischen Akkumulation mehrerer Zeitstempel wird ein Histogramm erstellt. Die Information aus diesem Histogramm wird zur Extraktion der Abstandsinformation verwendet. Die Extraktion der Abstandsinformation ist problematisch, da diese zum Beispiel durch nicht-lasergenerierte Zeitstempel aufgrund von Sonnenlicht-Einfluss überlagert ist und die Trennung von lasergenerierten Zählwerten und hintergrundgenerierten Zählwerten erschwert ist. Es kommt hierdurch zu fehlerhaften Abstandsinformationen.
Basierend auf den Abstandsinformationen aller Pixel kann eine Punktwolke bestimmt werden, mit der eine räumliche Analyse der Szene durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren setzt allerdings mit steigender räumlicher Auflösung einen großen Speicherbedarf voraus.

Durch die Anwendung von neuartigen Algorithmen soll die Datenanalyse leichtgewichtiger werden, um Rechen- und Speicherbedarf zu reduzieren. Dabei soll ein Fokus dieses Projektes auf der Anwendung dieser Algorithmen auf Low-Level Daten liegen. Zukünftig soll das entstehende Softwarepaket auf eingebetteten Systemen einsetzbar sein und ohne externe Ressourcen auskommen können sowie eine gleichbleibende Messgenauigkeit garantieren. In diesem Zusammenhang soll auch eine Fusion mit anderen Sensoren wie beispielsweise Radarsensoren oder mit Kameras erfolgen. Durch die Fusion von LiDAR-Daten mit externen Sensordaten auf Low-Level Ebene soll der Informationsgehalt erhöht werden und durch einen kombinierten Ansatz können individuelle Limitationen der Teilsysteme überwunden werden.

Titel: FouRiEr Domain ElectRIcal-to-optical Converter

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "SPP 2111:  Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung" werden im Teilprojekt "FREDERIC" neuartige digitale Elektronik-Photonik-Senderkonzepte erforscht.

Das Ziel dieses Projekts ist es, die Funktionalität eines neuartigen digitalen Elektronik-Photonik-Senderkonzepts, das die Eigenschaften der wohlbekannten Fourier-Transformation nutzt, zu demonstrieren. Dafür wird ein FD DAC (Fourier-domain digital-to-analog converter) mit einem Frequenzkamm kombiniert. Diese Kombination stellt eine Neuheit dar und verspricht eine massive Parallelität der zu übertragenden Signale und zeitgleich eine Reduzierung der Anforderungen an die elektrischen Subsysteme.

Der FD DAC sorgt dafür, dass der optische Datenstrom nicht direkt von der elektronischen in die optische Welt übertragen wird, sondern das optische Spektrum durch einzelne Spektralelemente rekonstruiert wird, die jeweils einen komplexen Fourier-Koeffizienten des kohärenten Breitband-Datenstroms repräsentieren. Dieser Ansatz hebt sich durch die hohe spektrale Reinheit vom aktuellen Stand der Technik ab.

Der Frequenzkamm nutzt die nichtlinearen Eigenschaften eines bestimmten Resonatormaterials, die zur Vier-Wellen-Mischung führen. Dadurch entsteht ein optisches Spektrum mit äquidistanten Linien. Diese Linien des Frequenzkammes werden jeweils als Trägerfrequenzen für die optische Datenübertragung genutzt und sorgen aufgrund der Vielzahl für die enorme Parallelität dieses Ansatzes.

Darüber hinaus kann die erforderliche digitale Signalverarbeitung zur Berechnung der Fourier-Koeffizienten nicht nur sehr effizient ausgeführt werden, sondern sie läuft auch mit reduzierter Geschwindigkeit gegenüber anderen Ansätzen ab. Auf diese Weise ist es möglich, einen leistungsfähigen optischen Sender mit kostengünstigen kommerziellen Komponenten zu realisieren. Eine vollständige Integration des Systems wird zu neuen Leistungsrekorden in Bezug auf Datenraten, Leistungsaufnahme und Systemkosten führen.

Titel: Neural signal processing using artificial intelligence on an embedded platform

Im Rahmen eines geförderten MERCUR-Forschungsprojekts soll an Hardware-Lösungen einer durchgängigen neuronalen Verarbeitungskette für sogenannte End-to-End Brain Computer Interfaces (BCI)-Systeme entwickelt werden, die Online-Algorithmen für Spike-Sortierung und neuronale Dekodierung mit analoger und digitaler eingebetteter Hardware berücksichtigen. Diese Pipeline ist ein grundlegender Baustein für die Entwicklung der nächsten Generation neuronaler Implantate. Das System stützt sich auf modernste Algorithmen des maschinellen Lernens, um Bewegungsabsichten aus der Gehirnaktivität zu entschlüsseln. Die Aufzeichnung und Interpretation von Gehirnsignalen erfordert eine Lösung, die genau, schnell und energieeffizient ist, auf einer kleinen Chipfläche implementiert werden kann und eine geringe Verlustwärme hat. Bestehende Lösungen können diese Anforderungen nicht erfüllen.

Dieses Projekt wird interdisziplinär durch die Wissenschaftler Karsten Seidl (UDE, Medizintechnik), Gregor Schiele (UDE, Informatik) und Christian Klaes (Ruhruniversität Bochum, Neurowissenschaften) bearbeitet.

Titel: Adaptiver GaN Gatetreiber mit induktiver Mitkopplung für höchste Effizienz

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms GaNius werden im Teilprojekt "AGaNDrive" neue, adaptive GaN-HEMT Treiberkonzepte erarbeitet und untersucht, die besonders schnelles Schalten bei minimalen Einschwingvorgängen („ringing“) bzw. Überschwingen erlauben. In leistungselektronischen Systemen ermöglicht dies die Realisierung von besonders kompakten passiven Komponenten, ohne Einbußen bei der elektromagnetischen Verträglichkeit oder zusätzlichen Bauelemente-Stress beim GaNHEMT in Kauf nehmen zu müssen. Der zu erarbeitende adaptive Gate-Treiber soll die Vorteile des oben genannten Konzepts für einen weiten Bereich von möglichen Arbeitspunkten und für eine Gruppe verschiedener GaN-HEMT Bausteine durch automatische Anpassung sicherstellen können.

Der Fokus des Arbeitsprogramms liegt in der Erarbeitung von Konzepten für besonders schnelles Schalten durch die Kombination von einem aktiven Gate-Treiber, welcher mehrere Spannungsniveaus („multi-level“) und wählbare Ausgangswiderstände unterstützt, mit induktivem „Feed-forward“ zwischen der Ausgangsstufe des CMOS Gate-Treiber ICs und dem GaN-HEMT Leistungsbauelement. Die Anordnung wird erweitert um Dämpfungsnetzwerke zur Reduktion von „ringing“ und Überschwingen. Hauptziel ist die Erarbeitung kombinierter aktiv-passiver Rückkopplungen in Schaltungstopologien für Gate-Treiber. Diese erlauben unter anderem die automatische Anpassung an Herstellungstoleranzen, Alterungseffekte und Temperaturabhängigkeiten. Gleichzeitig werden geringe Schaltverluste und gute elektromagnetische Verträglichkeit der GaN-HEMT Anwendung sichergestellt. Arbeitspunkt- und Lastbedingungen des GaN-HEMTs können sich über einen sehr weiten Bereich ändern, daher sind direkte, möglicherweise relativ komplexe,  Rückkopplungsstrategien nicht immer zielführend.

Titel: Akut- und Permanentmonitoring von infektiösen Patienten mit Hilfe von kontaktlosen, multispektralen, optischen Messsystemen

Im Krankenhaus erworbene Infektionen sind eine der führenden Ursachen von Morbidität und Mortalität. Dies ist ein Problem, das besonders in Zeiten einer globalen Pandemie nicht vernachlässigt werden darf, da sich das Risiko durch die Verbreitung von neuartigen Krankheitskeimen zukünftig weiter vergrößert. Um diese Problematik anzugehen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universität Ilmenau und des Universitätsklinikums Essen das Projekt NEON gestartet.

Im Projekt NEON wird ein kompaktes, mobiles Messgerät entstehen, welches die menschlichen Vitalparameter, wie beispielsweise Puls, Atemfrequenz, Körpertemperatur und Sauerstoffsättigung, kontaktlos erfassen kann. Durch die Ermittlung der Vitalparameter kann das Medizinische Personal schnell und zuverlässig herausfinden, wie es den Patientinnen und Patienten geht. Mit der heutigen Technik müssen die Vitalparameter durch das Medizinische Personal direkt am Körper gemessen werden. Durch diesen Kontakt entsteht sowohl für die Patientinnen und Patienten, als auch für das Medizinische Personal das Risiko einer Infektionsübertragung. Mit dem Wegfallen dieses Kontakts würde das Risiko der Infektionsübertragung drastisch sinken. Hinzu kommt der Komfort für die zu Behandelnden. Die Vitalparameter werden mit dem Messgerät zunächst einzeln ermittelt. Die individuell gemessenen Vitalparameter sollen danach kombiniert werden und zusammen mit weiteren relevanten Gesundheitsparametern, wie z.B. Alter, Geschlecht und Vorerkrankungen, den Gesundheitszustand der Person automatisch ermitteln. In den ersten Schritten wird das Verfahren für die akute Ermittlung einer bestimmten Erkrankung ausgelegt. Im weiteren Verlauf des Projekts wird untersucht, wie die gewonnenen Daten für eine Langzeitüberwachung des Gesundheitszustandes verwendet werden können. Des Weiteren wird erforscht, wie das Verfahren mit bestimmten Methoden der künstlichen Intelligenz (Transfer Learning) auf andere Krankheiten übertragt werden kann.

Das Teilprojekt A1 "Nano-needles on CMOS for Intra-Cellular Retinal Contacts" behandelt die Entwicklung von sehr kleinen Nadelelektroden (kleiner 2 tausendstel Millimeter im Durchmesser und 10 bis 100 tausendstel Millimeter in der Höhe), die zu einem großen, hoch dichten Elektrodenfeld gruppiert werden können (mehr als 1000 Elektroden) und in die Netzhaut des Auges implantierbar sind. Die in der Netzhaut für die Verarbeitung der Lichtreize zuständigen Zellen lassen sich damit quasi einzeln kontaktieren, wodurch die Qualität des "künstlichen Sehens" gegenüber existierenden Lösungen erheblich verbessert werden soll.

Im Teilprojekt B2 "High-Density adaptive Stimulation for Retina Implants" werden für die Einbettung in künftige Netzhautimplantate hochintegrierte und mechanisch flexible elektronische Schaltungen entwickelt, mit denen die Funktion der natürlichen Sehzellen (Rezeptoren) der Netzhaut nachgebildet werden können und die diese Sehinformationen so "codieren", dass die nachfolgenden verarbeitenden Zellschichten diese "verstehen" können. Diese "Codierung" muss sich dabei dynamisch anpassen, um Alterungseffekte an der Technik-Gewebe-Schnittstelle auszugleichen, was als "Closed-loop-Stimulation" bezeichnet wird.

Titel: Tiefenselektive Photoplethysmographie zur lokalen Messung der Pulswellengeschwindigkeit beim Menschen

Moderne Smartwatches und Fitness Tracker können die Herzfrequenz und die arterielle Sauerstoffsättigung (Pulsoxymetrie) eines Patienten über das nicht-invasive Messverfahren der Photoplethysmographie (PPG) kontinuierlich bestimmen. Das Prinzip ist, dass das Licht von einer Quelle (LED) in das anliegende Gewebe einstrahlt und das zurückkommende Licht nach der Absorption in den verschiedenen Gewebeschichten wird mit einem optischen Empfänger (Photodiode, PD) gemessen. Diese Transmission/Reflektion ist abhängig vom Volumenänderung des Blutgefäße, dem Gewebetyp und der verwendeten Wellenlänge. Die messbare Volumenänderung wird durch die Druckänderung am Herzen generiert und durch den Durchlauf der Pulswelle in den Arterien moduliert. Wichtige Signalparameter ist die Pulslaufzeit (pulse transit time, PTT) bzw. die Pulswellengeschwindigkeit (pulse wave velocity, PWV) gemessen werden. Dieser Parameter beinhaltet den Zeitunterschied zwischen der Anregung durch die R-Zacke aus dem Elektrokardiogramm (EKG) und dem Eintreffen des Druckpulses am PPG-Sensor. Alternativ kann dieser auch über die Laufzeit der Pulswelle zwischen zwei PPG-Sensoren ermittelt werden, die eine kürzere Distanz haben. Die Bestimmung des PWV-Werts hat folgende Vorteile:

• Indikator zur Charakterisierung des Zustands des arteriellen Systems des Patienten
• Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen, nicht-invasiven Blutdruckmessung
• Bestimmung des emotionalen Zustand eines Menschen durch die unbewusste Auswirkung auf das Gefäßsystem (Vasomotion)

Ziel des Projektes ist es einen Multi-Wellenlängen PPG-Sensor zu entwickelt werden, der es erlaubt PPG-Signale an nur einer Position, aber aus unterschiedlichen Gewebsschichten, zu erfassen und daraus eine lokale PWV zu ermitteln. Dazu soll sich der Sensor unter anderem die Wellenlängenabhängigkeit der Eindringtiefe des Lichtes zu Nutze machen. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer Methode, mit der eine stabile Langzeitmessung möglich ist, die sich unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen zeigt und keine initiale Kalibrierung mit einem EKG-System benötigt. Um diese Ziele zu erreichen werden in mehreren Stufen Hard- und Softwarelösungen entwickelt, als wichtiges Hilfsmittel dient die Computersimulation der Licht-Gewebe-Interaktion. Die Verifikation der Ergebnisse erfolgt mit Hilfe eines etablierten Messsystems für die Bestimmung der PTT und PWV.

Titel: Elektrobenetzung mit Atomlagenabscheidung

Im Rahmen des Projektes sollen hydrophobe Oberflächenstrukturen am Beispiel des Elektrowettings mit Dielektrikum (EWOD) untersucht werden. Hierbei sollen Strukturen, die mittels der Mikrosystemtechnik hergestellt werden, untersucht werden, die (a) eine hydrophobe Oberfläche besitzen (Flüssigkeiten können sich mit einem niedrigen Fließwiderstand durch Kapillare bewegen, durch spezifisch gewählte Oberflächenstruktur und Materialwahl an der Grenzfläche erreichbar), (b) das Elektrowetting erlauben (Tropfentransport durch ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden steuerbar) und (c) CMOS-kompatibel sind. Hierbei bestehen die dielektrischen Materialien der Elektroden aus atomlagen-dünnen Materialen, die mit dem Atomic-Layer-Deposition (ALD) abgeschieden werden. Die Vorteile des Verfahrens sind, dass das Benetzungsverhalten zur Flüssigkeit und die elektrische Steuerwirkung mit einer geringen elektrischen Spannung (Reduktion von ca. 40 V auf wenige Volt) bei nahezu idealer hydrophober Oberfläche verbessert werden kann.

Ein möglicher Prototyp soll ein Mikrofluidik-System aus mehreren Elektroden abbilden, bei der gezielt durch die elektrische Modulation Flüssigkeitstropfen zweidimensional generiert, bewegt und geteilt werden. Damit schafft das Projekt die Grundlagen für steuerbare Mikrofluidik-Chips mit integrierter Steuerelektronik für komplexe Lab-On-Chip-Anwendungen.

In Deutschland leiden rund 10.000 Menschen an Retinitis Pigmentosa. Bei dieser erblichen Netzhauterkrankung erblinden die Patienten schleichend, bei dem die die Sehzellen (Stäbchen und Zapfen) ihre Funktion als elektrischer Impulsgeber in Abhängigkeit des Licht in der Netzhaut verliert. Mittels der elektrischen Stimulation werden die noch teilweise intakten Nervenzellverbindungen von der Retina zum optischen Kortex neue Reize ausgelöst werden, um künstlich eine optische Wahrnehmung zu schaffen. Aktuelle Systeme scheitern bei der Wiederherstellung von peripheren Wahrnehmung und der räumlich niedrigen Auflösung.

Das Alleinstellungsmerkmals dieses Forschungsprojekts ist, dass das Implantat vom sehr eingeschränkten Gesichtsfeld von ca. 9° auf 40° für die epi-retinale Anwendung. Das Implantat besteht aus Polyimid und beinhaltet auf einem Durchmesser von 12 mm die Stimulationselektroden und die CMOS-ASICs mit integriertem Bildaufnehmer, deren Substrat (Rückseite) auf wenige Mikrometer heruntergeschliffen werden, um vollständig als ein Device flexibel auf die Netzhaut zu platzieren. Die Herausforderungen hier lagen bei der optischen Erfassung der Lichtpulse, der optischen Signalverarbeitung und der Applikation der Stimulationsreize, die unabhängig von der lokal mechanisch ausgeübten Drücke sind.

Das Kompetenzzentrum Personal Analytics (PAnalytics ) ist eine durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte interdisziplinäre Nachwuchsforschergruppe. Der Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Mensch-Technik-Interaktion für den demografischen Wandel. Das Team besteht aus Wissenschaftlern aus den Fachgebieten Informatik, Kognitionswissenschaft, Elektrotechnik, Gesundheitswissenschaft und Philosophie. Diese Gruppe entwickelt erstmals ein personalisiertes System für die Lebensumgebung, das Nutzerinnen und Nutzern erlaubt, die eigene Gesundheit zuhause und im Lebensumfeld selbst mit einem ganzheitlichen gesundheitsbezogenen Monitoring zu erfassen und auszuwerten. Zielgruppe sind Menschen im Alter von 50 Jahren oder älter.

Im Projekt ist als wesentlicher Fortschritt gegenüber existierenden Ansätzen geplant, die Informationsdarreichung an den Nutzer von dessen Situation und Befinden abhängig zu machen und so die Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern. Während das Befinden gemeinhin in medizinischer Hinsicht als körperliches Befinden (synonym für Gesundheit, Beschwerdefreiheit) quantifizierbar ist (z. B. als Puls, Atemfrequenz, Blutwerte), stellt gerade das emotionale Befinden (synonym für Wohlgefühl, Balance, Ausgeglichenheit, Emotion, Stress) in messtechnischer Hinsicht eine Herausforderung dar. Daher liegt ein besonderer Fokus darauf das Befinden bzw. den Gemütszustand „messbar“ zu machen. Dies soll unter Verwendung von nicht-invasiven Parametern des kardiovaskulären Systems ermöglicht werden und unter der Voraussetzung, dass die Algorithmen und Sensoren energieeffizient in ein mobiles Endgerät integriert werden können. Als Parameter dienen die Herzratenvariabilität (HRV) und die Pulswellenlaufzeit (PTT) aus den PPG-Signalen, die hohe Korrelation zu psychologischen Prozessen zeigen.

Im geförderten MERCUR-Projekt wurde ein neuartiges Mikroskopiesystem als
Demonstrationsmodell aufgebaut, um damit die technischen Grundlagen für ein
hochdurchsatzfähiges Videomikroskop zu schaffen. Der Fokus liegt dabei auf dem Nachweis der
Realisierbarkeit kritischer Komponenten des optischen Apparats unter den prinzipbedingt engen
Randbedingungen hinsichtlich Größe und räumlicher Funktionsdichte. Dies betrifft insbesondere die
Herstellung von speziellen Mikroskopobjektiven mit einem Außendurchmesser von max. 8 mm bei
gleichzeitiger optischer Abbildungsqualität vergleichbar mit konventionellen Mikroskopobjektiven sowie
Lösungen für die Proben-individuelle automatische Fokussierung. Die Miniobjektive sollen jeweils mit
einem eigenen handelsüblichen Videosensor gekoppelt werden. Zwei unabhängige Systeme solcher
Objektiv-Sensor-Einheiten sollen simultan betrieben werden um Zeitraffer-Videoaufnahmen lebender
Zellen in zwei unabhängigen Inkubationskammern einer labortypischen 96-Well-Platte zu erzeugen.
Die Bewegung der Zellen in den Filmsequenzen soll vollautomatisch digitalisiert und quantifiziert
werden. Um die unterschiedlichen Fokusebenen der einzelnen Inkubationslöcher auszugleichen, soll
ein Verfahren entwickelt werden, das es ermöglicht, aus einer Serie von Bildern aus unterschiedlichen
Fokusebenen das jeweils schärfste Bild zu erkennen und festzuhalten. Weiterhin sollen die
technischen Grundlagen ermittelt werden, die nötig sind, um Videosensoren mit einem
Gesamtdurchmesser <8 mm zu bauen, die direkt hinter einem Miniobjektiv platziert werden können
ohne seinen Gesamtdurchmesser zu erhöhen. Auf der Basis der hier geleisteten Arbeit soll in einem
späteren Projekt ein System mit 96 unabhängigen Objektiv-Sensor-Einheiten realisiert werden, bei
dem aufgrund des geringen Außendurchmessers der Einzelobjektive die Videosysteme so eng
gepackt werden können, dass bis zu 96 simultane Videosequenzen wandernder Zellen in 96-Well-Platten generiert und ausgewertet werden können.

Intelligente Steuerungs- und Verschaltungskonzepte für modulare Elektrofahrzeug-Batteriesysteme zur Steigerung der Effizienz und Sicherheit sowie zur Senkung der Systemkosten

Zentrale zukünftige Herausforderungen der Automobilität wie eine zunehmend angespannte Mineralöl-Versorgung, notwendige CO2-Einsparungen oder die Verkehrsprobleme der Ballungsräume erfordern dringend neue Lösungen. Praxistaugliche Elektrofahrzeuge können eine strategische Antwort darstellen und gleichzeitig der Automobilindustrie eine interessante Wachstumsperspektive bieten.

Im 2. Zwischenbericht der Nationalen Plattform Elektromobilität wird festgestellt, dass die Teilaspekte der Batterietechnologie wie Grundlagen der Batteriesicherheit (Funktionale Sicherheit von Batteriesystemen, Crash-Sicherheit, Transportsicherheit), Erprobungskonzepte sowie Modellierung und Simulation für die in den nächsten Jahren zur Marktreife zu entwickelnden Batterien derzeit nicht oder nur unzureichend adressiert sind. Das hier skizzierte Vorhaben liefert dazu einen wichtigen Beitrag, wobei im Fokus das E/E-System der Batterie steht.

Das Vorhaben befasst sich mit dem Batteriesystem als Ganzem und hat die Zielsetzung, mit Innovationen sowohl auf Batteriesystem- als auch auf Komponentenebene die Faktoren Reichweite, Kosten und Alltagstauglichkeit maßgeblich zu verbessern.
 

Aktive und passive Maßnahmen für eigensichere Lithium-Ionen Batterien

Qualitäts- und Sicherheitsstandards sind für die deutsche Automobilindustrie wesentliche Unterscheidungsmerkmale gegenüber der weltweiten Konkurrenz. Eine entscheidende Herausforderung der deutschen Industrie auf dem neuen Markt der Elektroautos ist es, dieses Kernmerkmal sicherzustellen. Dies gilt insbesondere für die in Elektroautos verwendete Lithium-Ionenbatterie (LIB), die eine völlig neue Technologie im Fahrzeug darstellt.

Das Ziel des Forschungsprojekts SafeBatt ist die Erforschung von aktiven und passiven Maßnahmen an Batteriekomponenten zur Steigerung der Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien für Elektrofahrzeuge. Bis 2015 erforschen und entwickeln 15 führende Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft neuartige Werkstoffe, Modelle, Testmethoden, Sensoren und Auswerteelektronik um Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionenbatterien im Automobilbereich signifikant zu erhöhen.

SafeBatt – ein Leuchtturmprojekt der Elektromobilität

Die Bundesregierung hat in ihrem Regierungsprogramm vom 18. Mai 2011 besonders relevante Themenfelder der Elektromobilität identifiziert und als Leuchttürme benannt. Innerhalb dieser Leuchttürme werden besonders herausragende Projekte der jeweiligen Themenfelder gebündelt. SafeBatt ist eines von zwei Projekten innerhalb des Leuchtturms „Energiesysteme und Energiespeicherung“.
Die Wahl zu einem Leuchtturmprojekt der Elektromobilität ist ein „Gütesiegel“ für besonders wichtige Innovationen, die einen bedeutenden Beitrag zum technologischen Fortschritt oder der Kostensenkung in der Elektromobilität leisten.

Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht in der Spezifikation, Auslegung sowie der technologischen
Umsetzung einer integrierten CMOS-Schaltung mit Stimulations-, Ableit- und Messelektronik für drei-dimensionale bidirektionale Multi-Elektroden-Arrays. Aus der Zielsetzung, die zugrunde liegenden Vorgänge bei krankhaften Veränderungen in der Retina zu erforschen, folgt, dass die in unmittelbarer Elektrodennähe zu platzierende Elektronik im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen eine sehr große Flexibilität aufweisen muss. Hier steht einerseits ein nur geringes Bauvolumen zur Verfügung, andererseits ist eine Vielzahl an Elektroden zu bedienen.

Insbesondere sind Methoden und Strukturen zu erarbeiten, um das drei-dimensinale Elektrodenarray effektiv durch die zwingend zwei-dimensional organisierte on-chip Elektronik anzusteuern. Sowohl die Parametrisierung als auch die Art und Weise der Stimulation sowie die Auswahl von Elektrodenbereichen müssen in der Elektronik umgesetzt werden. Möglichkeiten zur Erfassung von Restladungen durch die Stimulation und effektive Maßnahmen zu deren Abbau sind weitere Ziele des Vorhabens.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mess-Systemen für die mobile und räumlich  hochauflösende Ableitung von Biosignalen, insbesondere von EEG, EMG, EKG (Zusammenfassend: ExG) für den Einsatz in der kognitiven und klinischen Forschung sowie in der Neurophysiologie.

Muskelstrukturen wie die des Gesichts, der Gliedmaßen und des Herzens sowie das Gehirn erzeugen an der Körperoberfläche abgreifbare lokale elektrische Potentialdifferenzen, welche sich mit hoher räumlicher Auflösung und Signalqualität über Elektroden ableiten lassen. Als Elektroden werden in diesem Vorhaben "trockene", d.h. direkt auf der Haut applizierte Sensoren eingesetzt, die ohne zusätzliche Elektrolytpaste auskommen und eine langzeitstabile räumlich dichte Abtastung der Signale ermöglichen. Die so bestimmten Signale bilden u. a. die Basissignale für die neurophysiologische und kognitive Forschung.

Die anwendungsspezifische Entwicklung der Sensorik, der Elektronik und der integrierten prozessorgestützten Signalverarbeitung für diese Messtechnik bilden einen Schwerpunkt dieses Projektes. Durch die parallele Signalerfassung auf engstem Raum wird es nötig, die Signale nahe am Entstehungsort vorzuverstärken, zu multiplexen und alle Signalverarbeitungsfunktionen sehr nahe an der Signalquelle in digitaler Form zu implementieren. Auf der Systemseite spielt auch der Tragekomfort für die Probanden eine wesentliche Rolle, um einen flexiblen Einsatz der Biosignalsensorik auch über lange Zeiträume im mobilen Umfeld zu ermöglichen. Das im Forschungsprojekt erarbeitete Konzept ist ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung "intelligenter Kleidung" mit sensorischer Funktion, die auch in Verbindung mit Klinikmonitoren zur Überwachung von Risikopatienten zum Einsatz kommen kann.

CMOS-Bildsensoren werden heute mit einer hohen Auflösung in Kameras, Videokameras oder Handys eingesetzt. Auf Grund der Waferdicke sind die Bildsensorchips starr, deshalb bleibt ihr Einsatz zurzeit auf die herkömmliche Bildaufnahme beschränkt. Wird Silizium auf Dicken < 30 μm gedünnt, wird es flexibel. Flexible CMOS Bildsensoren würden das Anwendungsspektrum wesentlich vergrößern. Sie könnten beispielsweise auf einen runden Stab aufgebracht optische Information aus dem 360°-Umfeld des Stabes aufnehmen.
Forschungsziel ist es, die optischen und elektrischen Eigenschaften von integrierten Bildsensorarrays in CMOS-Technologie auf monokristallinen gedünnten flexiblen Siliziumchips zu untersuchen. Dabei soll einmal der Einfluss von mechanischem Stress auf die optischen Eigenschaften (spektrale Lichtempfindlichkeit, Quantenwirkungsgrad, Dunkelströme, Rauschen) einzelner Photosensoren und Photosensorarrays systematisch auf (100)-Wafern in Abhängigkeit von der Orientierung zum Substrat untersucht werden. Weiterhin werden die elektrischen Eigenschaften (Schwellenspannung, Ladungsträgerbeweglichkeit, Leckströme, 1/f Rauschen) passiver und aktiver Bauelemente sowie integrierter Schaltungen (Bandgap Referenzspannungsquellen, Operationsverstärker, SC-Schaltungen) in Bezug auf mechanischen Stress charakterisiert.

Ziel der Untersuchungen ist die Bauelement- und Schaltungssimulation dieser Abhängigkeiten, die Ermittlung des piezoresistiven Verhaltens in Abhängigkeit von der Chipdicke, die Erstellung von Schaltungskonzepten und von Design-Regeln, die den Einfluss von mechanischem Stress berücksichtigen und diesen nach Möglichkeit minimieren bzw. kompensieren.

Aktuelle Forschungsarbeiten beschreiben eine neue Art der Signalverarbeitung, bei der zwar eine Digitalisierung aber keine Abtastung der analogen Eingangssignale im klassischen Sinne erfolgt.

Im Vergleich zu klassischen Digitalsystemen, bei denen der Leistungsverbrauch proportional zur Abtastfrequenz ist, passt sich dieser hierbei dynamisch an die Eigenschaften des Eingangssignals an. Neben anderen hervorragenden Eigenschaften weisen diese Systeme daher ein großes Potential zur Reduzierung des Leistungsverbrauchs auf. Mögliche Anwendungsbereiche sind die Telekommunikation, biomedizinische Implantate, drahtlose Sensoren und die Audio- und Sprachsignalverarbeitung. Im Rahmen dieses Projekts soll diese neue Form der Signalverarbeitung sowohl theoretisch als auch praktisch untersucht werden. Auf System- und Architekturebene sind zunächst Algorithmen zu entwickeln, die gut für eine Realisierung als zeitkontinuierliches DSP-System geeignet sind. Darüber hinaus sollen auch Untersuchungen auf schaltungstechnischer Ebene durchgeführt werden, um eine optimierte Hardware-Realisierung zu entwerfen. Basierend auf den erarbeiteten Ergebnissen ist ein quasi-zeitkontinuierliches DSP-System als integrierte Schaltung zu entwickeln, so dass hiermit die zuvor durch Simulationen gewonnenen Erkenntnisse verifiziert werden können.

Basierend auf der Grundidee der Übertragung von im Bereich der Nachrichtentechnik zur Informationsübermittlung angewendeten Verfahren der Signalaufbereitung und Filterung auf die sichere Detektion von charakteristischen Sensorsignalen, die bereits in einer Musterimplementierung erprobt wurde, soll ein neuartiger Ansatz verfolgt werden. Kernziel des Vorhabens ist die Findung, Aufbereitung und Verallgemeinerung der theoretischen Grundlagen der Verfahrensidee sowie der Verfahrensgrenzen. Ausgangspunkt der Betrachtung ist eine konkrete Modellimplementierung: Die Flussgeschwindigkeitsmessung von inhomogenen Medien (z. B. Gemengen von Medien in unterschiedlicher Konzentration, unterschiedlicher Viskosität und mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften) mittels einer neuartigen kontaminationsfreien Markierungsmethode (thermisches "Time-of-Flight"-Prinzip mit spezieller Anregung und Auswertung, die auf typischerweise nachrichtentechnischen Methoden basiert). Das Verfahren ist in diesem Einsatzbereich neuartig und ermöglicht eine genaue Flussmessung ohne Kenntnis der Kennparameter des Mediums. Aufbauend auf den Ergebnissen der Analysen und modellgestützten Synthese für homogene und inhomogene Medien und aus Dualitäts-betrachtungen soll eine Übertragung auf ähnliche, mit der Strömungsmessung im ursächlichen Zusammenhang stehende Messprobleme und Sensorprinzipien wie z. B. Strömungsprofilmessung, Inhomogenitätsbewertung, Konzentrationsbestimmung u. A. erfolgen. Begleitend werden Querempfindlichkeiten eingebunden und Ihr Einfluss analysiert und quantifiziert.