Forschung & Projekte

ForschungsschwerpunktSensorsysteme & Simulation

  • Thermische Puls-Laufzeitmessung zur Bestimmung von Flussgeschwindigkeit und Medienparametern von Fluiden
  • Sensorentwicklung für die Automatisierungstechnik und Medizintechnik
  • Steuer- und Regelung von Prozessen mit Echtzeitsystemen
  • Integrierte Signalerfassung, Signalkonditionierung und  verarbeitung
  • Numerische Simulation von multiphysikalischen Phänomenen (Strömung, Wärme, magnetische und elektrische Felder etc.)
  • Analytische Berechnungen von physikalischen Parametern in der Sensorentwicklung
  • Umfeldtests mittels Klima-und Vibrations-Prüfständen

ForschungsschwerpunktAufbau- & Verbindungstechnik

  • Entwicklung, Design und Herstellung von Photovorlagen für die Leiterplattenfertigung
  • Konstruktion von spezifisch angepassten (z. B. Form und Dimensionierung) Multilayer- und flexiblen Leiterplatten
  • Bestücken von bedrahteten und oberflächenmontierten Bauelementen
  • Bond-, Klebe- und Verkapselungstechniken
  • Kontaktlose, topologische Messungen an Oberflächen
  • Rauhigkeitsbestimmung

ForschungsschwerpunktChip-Design & Technologie

  • Charakterisierung von Halbleiterbauelementen am Spitzenmessplatz
  • Oberflächenvermessung von MEMS-Strukturen am Laserprofilometer
  • Beschichtung von Bauelementen in Bedampfungsund Sputteranlagen
  • Laser-Annealing von Si- und SiGe-Strukturen mit UV-Excimer-Laser
  • Design von Digital- und Analog-Schaltungen
  • 350 nm CMOS-Prozess im Partnerinstitut Fraunhofer IMS
  • CMOS-Bildsensorik und Zeilensensoren
  • Kombinierte integrierte Hochvoltschaltungen bis zu 600 V

ForschungsschwerpunktMedizinische Gerätetechnik & Sensorik

  • Entwicklung von Diagnoseunterstützungssystemen für den Klinikeinsatz (z. B. Zerviton- Messhelm zur mobilen Kopf- und Augenbewegungsanalyse; Wireless-EEG zur mobilen Ableitung von hirnelektrischen Potenzialen in rauer Umgebung)
  • Geräte und Komponenten als „Assistenten“ zur Lebensunterstützung (Ambient Assisted Living, AAL) im Alltag (z. B. Sturzdetektions-, Alarmierungs- und Ortungssysteme)
  • Neuartige Wireless-Systemkonzepte (z. B. autarke Monoelektroden-Module zur dezentralen, mobilen EEG-Ableitung mit Funktions- und Lagekontrollmechanismen)
  • Funktionalisierung von Möbeln im Klinik- und Pflegeumfeld (z. B. in Pflegebetten integrierte Sensorik zur automatischen Präsenz-, Sturz- und Notfallerkennung)

Aktuelles ForschungsprojektGeringeres Ansteckungsrisiko und Entlastung des Medizinpersonals durch innovative kontaktlose Messtechnik (NEON)

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. Das Projekt NEON ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Projekt. Die Bezeichnung NEON steht für „Akut- und Permanentmonitoring von infektiösen Patienten mit Hilfe von kontaktlosen, multispektralen, optischen Messsystemen“.

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 in NEON entstehende Hardware und Software kann hierbei einen entscheidenden Beitrag leisten.

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.

Aktuelles ForschungsprojektRTG 2610 - InnoRetVision

Neuroprosthetics is an emerging field in biomedical research and medical technology development. The loss of sensory or motor function has a significant negative impact on the quality of life and human well-being. Although significant progress has been made in ophthalmology in the past, conditions leading to untreatable blindness in a large number of people still exist. Restoration of vision can be achieved under these conditions by repairing cells with gene therapy, optogenetics, replacing cells with stem cells, or by bridging sensoric function with neuroprosthetic devices. All these concepts do have their advantages and disadvantages. In this RTG we are focussing on the neuroprosthetic approach.

Im Rahmen des DFG-geförderten Graduiertenkollegs 2610 – Innovative Retinal Interfaces for Optimized Artificial Vision – werden am Lehrstuhl zwei Teilprojekte im interdisziplinären Forschungsumfeld bearbeitet, um an den aktuellen Herausforderungen von Retina-Implantaten zu arbeiten. Weitere Informationen finden Sie unter folgendem Link.

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.

Aktuelles ForschungsprojektDeePPG

Tiefenselektive Photoplethysmographie zur lokalen Messung der Pulswellengeschwindigkeit beim Menschen

Das Messverfahren der Photoplethysmographie (PPG) wird seit vielen Jahren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt, um Herzfrequenz und arterielle Sauerstoffsättigung (Pulsoxymetrie) eines Patienten kontinuierlich und nicht-invasiv zu erfassen. Mittlerweile finden sich diese Funktionen auch in tragbaren elektronischen Geräten (Smartwatch, Fitness Tracker, etc). Bei der PPG Licht wird von einer Quelle (LED) in das anliegende Gewebe eingestrahlt und unterliegt dort dem Einfluss der Absorption in den verschiedenen Gewebeschichten. Diese ist abhängig von der verwendeten Wellenlänge, dem Gewebetyp und der Durchblutung, da Blut einen deutlich höheren Absorptionskoeffizienten als das umliegende Gewebe aufweist. Die Intensität des Lichtes wird mit den Volumenschwankungen der Blutgefäße, die durch die Druckänderungen beim Durchlauf der Pulswelle erzeugt werden, moduliert und schließlich von einem optischen Empfänger (PD) erfasst. Während für die Messung der Herzfrequenz nur Licht einer einzelnen Wellenlänge notwendig ist, wird bei der Pulsoxymetrie der Umstand ausgenutzt, dass die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut für rotes und infrarotes Licht entgegengesetzt verläuft.

Die PPG ermöglicht es außerdem die Pulslaufzeit (pulse transit time, PTT) bzw. die Pulswellengeschwindigkeit (pulse wave velocity, PWV) zu messen. Dazu wird entweder eine PPG-Messung mit einem Elektrokardiogramm (EKG) kombiniert und die Zeit zwischen der Anregung des Herzmuskels (R-Zacke) und dem Eintreffen des Druckpulses am PPG-Sensor gemessen, oder der Laufzeit der Pulswelle zwischen zwei PPG-Sensoren ermittelt. Die PWV kann als Indikator zur Charakterisierung des Zustands des arteriellen Systems des Patienten genutzt werden. Weiterhin spielt sie auch bei der Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen, nicht-invasiven Blutdruckmessung eine große Rolle. Darüber hinaus kann die PWV auch im Rahmen psychologischer Untersuchungen genutzt werden, da sich der emotionale Zustand eines Menschen unbewusst auch auf das Gefäßsystem auswirkt (Vasomotion). Die Photoplethysmographie präsentiert sich daher auf Grund ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit als eine Schlüsseltechnologie auf dem Gebiet der kontinuierlichen, nicht-invasiven Diagnostik, besonders auch im Bereich der mobilen Anwendungen.

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 weiters 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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektEWALD (Abgeschlossen 2020)

Im Rahmen des Projektes sollen hydrophobe Oberflächenstrukturen am Beispiel des Elektrowettings mit Dielektrikum (engl. Electrowetting on Dielectrics, EWOD) untersucht werden. Hydrophobe Oberflächen sind so geschaffen, dass sich Flüssigkeiten mit einem niedrigen Fließwiderstand durch Kapillare bewegen können, wodurch eine Pfropfenströmung mit hohem Volumenfluss möglich wird.

Man erhält die Hydrophobizität z. B. durch eine spezifisch gewählte Oberflächenstruktur. Außerdem wird sie durch die Materialwahl an der Grenzfläche beeinflusst. Mit Elektrowetting lässt sie sich schließlich gezielt einstellen und regeln. Die Steuerwirkung erfolgt dabei durch ein elektrisches Feld zwischen einer Elektrode direkt unter der Oberfläche und dem Flüssigkeitstropfen.

In diesem Projekt werden Oberflächenstrukturen untersucht, die diese drei Methoden kombiniert nutzen und so eine ideale, steuerbare Oberfläche bilden. Die Oberflächen­strukturen sollen mit Hilfe eines Opferschichtverfahrens erstellt werden, wobei die einzeln kontaktierbaren Elektroden, mit Atomic-Layer-Deposition (ALD) abgeschieden, in ebenfalls mit ALD hergestellten ultradünnen, isolierenden Schichten eingebettet sind. Durch das Auftragen einer weiteren dünnen dielektrischen Schicht auf der Elektrode kann das Benetzungsverhalten zur Flüssigkeit zusätzlich beeinflusst werden. Das EWOD-Verfahren ermöglicht dann die Steuerung der Benetzbarkeit der Oberfläche mit einer wegen der dünnen Schichten niedrigen elektrischen Spannung bei nahezu idealer hydrophober Oberfläche. In einem Mikrofluidik-System aus mehreren Elektroden können mit einer gezielten Modulation Flüssigkeitstropfen zweidimensional generiert, bewegt und geteilt werden.

In diesem Projekt wird dieses neue Konzept entwickelt. Anhand von Prototypen soll gezeigt werden, dass die zur Bewegung der Flüssigkeitstropfen benötigte elektrische Spannung deutlich reduziert werden kann. Das Auftragen des Dielektrikums auf die Elektrode mit ALD ergibt sehr dünne Schichten (1 Monolage bis wenige Nanometer). Dadurch reduziert sich die Steuerspannung von aktuell ca. 40V auf wenige Volt. Zusätzlich können in Kombination mit Opferschichtverfahren beliebige Oberflächenstrukturen hergestellt werden zur Erhöhung der Hydrophobizität. Diese Strukturen sind CMOS-kompatibel. Damit schafft das Projekt die Grundlagen für effiziente steuerbare Mikrofluidik-Chips mit integrierter Steuerelektronik für komplexe Lab-On-Chip-Anwendungen.

Die Arbeitspakete des Projekts reichen von der Modellbildung der Strukturdefinition, mit der zugehörigen Layout-Erstellung, der Materialauswahl und der Simulation des Elektrowetting-Verfahrens bis hin zur Fertigung und Charakterisierung der Strukturen. Darüber hinaus gehört der Aufbau von Messständen für die messtechnische Evaluierung der Prototypen zu den geplanten Aufgaben

Abgeschlossenes ForschungsprojektOptoEpiret (Abgeschlossen 2019)

In Deutschland leiden rund 10.000 Menschen an Retinitis Pigmentosa. Bei dieser erblichen Netzhauterkrankung erblinden die Patienten schleichend, eine Behandlung ist bislang nicht möglich. 7 % aller Erblindungen sind durch diese Erkrankung bedingt. Die Sehzellen (Stäbchen und Zapfen), die in der Netzhaut des Auges Licht in elektrische Impulse umwandeln, sterben allmählich ab. Da jedoch trotz der zerstörten lichtempfindlichen Zellen die Verbindung der Nervenzellen zum Gehirn noch teilweise intakt ist, können durch elektrische Stimulation retinaler Nervenzellen Aktionspotentiale ausgelöst werden, die über die Sehnervenfasern an den visueller Cortex weitergeleitet und dort zu einer optischen Wahrnehmung verarbeitet werden. Weltweit forschen Mediziner und Medizintechniker an retinalen Sehprothesen auf der Basis der elektrischen Stimulation. Ein Unterscheidungsmerkmal ist die Platzierung der Stimulationselektroden. In den am weitesten entwickelten Ansätzen werden die Stimulationselektroden entweder auf der Netzhaut (epiretinal) oder darunter (subretinal) platziert. Den bisher am Menschen eingesetzten Systemen ist gemeinsam, dass durch die kleine Fläche, die für die Stimulation nutzbar ist, nur ein sehr eingeschränktes Gesichtsfeld von ca. 9° erreicht wird. Eine Wiederherstellung von Gesichtsfeldfunktionen, also der peripheren Wahrnehmung wird mit solchen Systemen nicht erreicht. Die periphere Funktion der Netzhaut ist für ein selbständiges Manövrieren im Raum aber unabdingbar. Es ist auch diese Funktion, die bei Patienten mit Retinitis Pigmentosa zuerst ausfällt. Während bei den epiretinalen Ansätzen durchaus noch eine Vergrößerung des Durchmessers des Stimulationselektrodenarrays und damit eine Vergrößerung des Gesichtsfelds möglich ist, wird dies beim subretinalen Ansatz durch die Gefahr einer Netzhautablösung oder anderer operativer Komplikationen nur sehr eingeschränkt möglich sein. Im Rahmen des Projekts OPTOEPIRET soll der epiretinale Ansatz um eine integrierte, epiretinale Bildaufnahme erweitert werden. Hierzu soll ein flexibles Stimulationselektrodenarray mit einem Durchmesser von ca. 12 mm (entspricht einem Gesichtsfeld von ca. 40°) basierend auf einem dünnen flexiblen Polyimidsubstrat entwickelt werden. Auf die Rückseite des Arrays, die der Augenlinse zugewandt ist, werden formangepasste gedünnte und damit flexible CMOS-Kamerachips, welche eine der Elektrodenanzahl entsprechende Anzahl von Fotodioden besitzen, integriert. Mit den Fotodiodenarrays wird das von der Augenlinse auf die Retina geworfene Bild aufgenommen. Integrierte CMOS-Schaltkreise wandeln die optische Information in geeignete Stimulationspulse um, die an die Stimulationselektroden, die sich auf der Vorderseite einer Trägerfolie befinden, weitergeleitet werden. Mit diesem Ansatz wird die Bildaufnahme des epiretinalen Stimulationsansatzes, die bisher in einer Kamera außerhalb des Auges realisiert ist in das intraokulare Implantat auf die Netzhauthaut verlagert.

Abgeschlossenes ForschungsprojektPAnalytics (Abgeschlossen 2018)

Das Kompetenzzentrum Personal Analytics 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.

Die Nachwuchsforschergruppe PAnalytics (abgeleitet aus Personal Analytics) 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.

Der Entwicklungsfokus aus Sicht der Elektrotechnik liegt im Projekt auf Technologien die unauffällig sind und in mobile Geräte integriert werden können. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf Parameter des kardiovaskulären Systems gelegt. Hierzu gehören zum Beispiel die Herzratenvariabilität (HRV) und die Pulswellenlaufzeit (PTT), die hohe Korrelation zu psychologischen Prozessen zeigen und durch die Methode der Photoplethysmographie gemessen werden können. Das übergeordnete Ziel ist die Funktionalität (Quantität und Qualität) von existierenden Geräten zu steigern, dabei aber weiterhin die Nutzerfreundlichkeit zu berücksichtigen.

Abgeschlossenes ForschungsprojektDriveBattery (Abgeschlossen 2017)

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.
 

Abgeschlossenes ForschungsprojektSafeBatt (Abgeschlossen 2016)

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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektBiMEA (Abgeschlossen 2018)

Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht in der Spezifikation, Auslegung sowie der technologischen
Umsetzung einer integrierten CMOS-Schaltung mit Stimulations-, Ableit- und Messelektronik für 3-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 3-dimensinale Elektrodenarray effektiv durch die zwingend 2-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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektHochauflösende mobile ExG-Funktionsdiagnostik (Abgeschlossen 2015)

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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektFLEXBild (Abgeschlossen 2014)

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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektZeitkontinuierliche digitale Signalverarbeitung (Abgeschlossen 2014)

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.

Abgeschlossenes ForschungsprojektANTEMES (Abgeschlossen 2013)

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.