Abgeschlossene Projekte

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.

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.

Effiziente Implementierung von Massive MIMO Systemen

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.

Um den ganzheitlichen Modellierungs‐ und Simulationsansatz der Forschergruppe MUSIK auf allen Systemebenen zu gewährleisten, werden in Teilprojekt 4 die Auswirkungen nichtlinearer Eigenschaften von MEMS‐Bauelementen auf die Leistungsmerkmale eines HF‐übertragungssystems untersucht. Dabei gilt es nicht nur, schwer erkennbare Ursachen parasitärer Einflüsse auf die Gesamtschaltung zu beseitigen; vielmehr kann das Potential für die gezielte Nutzung nichtlinearer Effekte über die Grenzen des einzelnen Bauelements hinaus nutzbar gemacht werden. Es gilt daher, die parameterreduzierte Verhaltensbeschreibung multiphysikalischer Zusammenhänge (mechanisch, thermisch, elektrostatisch/ elektrodynamisch) aus der Zusammenarbeit mit Teilprojekt 1 in geeigneter Form als Modell für hardwarenahe Kommunikationssystem‐Simulatoren umzusetzen. Verglichen mit einer parallel zu erarbeitenden konventionellen Halbleiter‐Implementierung der entsprechenden Komponenten werden die spezifischen Vor‐ und Nachteile der mikroelektronischen und mikroelektromechanischen Varianten aus dem Blickwinkel der übertragungssystem‐Eigenschaften und ‐Architekturoptimierung vergleichend analysiert. Als zusätzliche Resultate werden dank der gemeinsam erarbeiteten Modelle und Erfahrungen Parameterraumstudien, neue Funktionalitäten durch Synthese bestehender MEMSBauelemente mit innovativen Konzepten, sowie eine technologische Umsetzung ermöglicht.

Das Vorhaben MAS erforscht nano-elektronische Komponenten und Systeme für AAL-Anwendungen (Gesundheit/Wellness/Patienten-Monitoring). Hauptziele: Realisierung geschlossener Sensor – Service Kommunikationsketten (AAL-Wertschöpfungskette) sowie die Erforschung und Umsetzung einer AAL-Technologie-Plattform. Anwendungs-orientierten Demonstratoren (Referenz-Applikationen) werden realisiert und im medizinischen Umfeld (Telemedizin/Health Service Provider) erprobt. Teilziele: Spezifikation von UseCases und Anwendungen; Erforschung und Bereitstellung innovativer Sensorsysteme; standardisierte Nahfeld-Komunikationsschnittstellen sowie UltraLowPower-Terminals (WireLess). Ergänzend werden Integrationstechnologien im medizinischen Umfeld und drahtlose Energieübertragung untersucht und erprobt. Die Arbeiten des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg im Rahmen des MAS Verbundprojektes sind auf drei Jahre angelegt. Während dieser Zeit setzt sich der Lehrstuhl für Technische Elektronik mit neuartigen nano-elektronischen Konzepten für Sensorik und Schaltungstechnik auseinander. Das Hauptaugenmerk liegt auf Anwendungen in der Medizintechnik und für Ambient-Assisted-Living.

The objective of MAS is to develop a common communication platform and nanoelectronics circuits for health and wellness applications to support the development of flexible, robust, safe and inexpensive mobile AAL systems, to improve the quality of human life and improve the well-being of people. In this context, reference architectures will be defined in order to enable system development from devices to complete mobile AAL systems, and to enable cooperative clusters of such systems for specific environments and applications. MAS focus on the development of an integrated approach for the areas of health monitoring and therapy support at home, and mobile health, wellness and fitness. The systems are intended for remote patient supervision using multi parameter biosensors and secure communication networks, and health & wellness monitoring in the home environment. The mixed healthcare and consumer markets will be targeted with MAS-platform-based devices with five application demos: 1: Health and Activity Monitor 2: Point of Care Terminal and Gateway 3: Cardiovascular Monitor 4: Diabetes Monitor 5: Mobile Cardiotocography.

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.