Projekte

Magnetic Drug Targeting unter Einsatz von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) ist eine wirksame Methode, um in der Krebstherapie die Wirkstoffapplikation im Tumorgewebe zu steigern, bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamtwirkstoffmenge und der mit der Therapie einhergehenden Nebenwirkungen. Während die Wirksamkeit des Ansatzes bereits in Studien nachgewiesen werden konnte, fehlen allerdings bislang Ansätze, um diese Methode an den jeweiligen Behandlungsfall anzupassen und zu optimieren. Ziel dieses Antrags ist es daher, die Grundlagen für eine derartige patientenindividuelle Optimierung zu legen: Vergleichbar dem bereits erfolgreich praktizierten Procedere in der Strahlentherapie sollen perspektivisch vor der Anwendung der Therapie auf Basis des lokalen Gefäßsystems des Patienten und der Eigenschaften des Tumors die verwendeten Magnetfelder derart angepasst werden, dass der Anteil des Wirkstoffs, der in das Tumorgewebe gelangt, maximiert wird. Zu diesem Zweck soll im beantragten Projekt ein physiologisch-physikalisches Modell der Bewegung und Magnetfeld-basierten Steuerung von SPIONs entwickelt, als Finite-Elemente-Modell implementiert und experimentell validiert werden. Dieses soll es erlauben, die zeitlich variable Feldstärke und Position eines oder mehrerer Elektromagnete in Hinblick auf die Partikelkonzentration in einem Zielgebiet zu optimieren. Im Projekt sollen dabei die Steuerung bei einfach und mehrfach verzweigten Kanalsystemen ebenso wie beim Übertritt aus dem Gefäß in das umliegende Gewebe betrachtet werden. Damit soll die Basis für eine spätere Übertragung des Optimierungsansatzes auf gegebene Gefäß- und Tumormodelle in der klinischen Anwendung gelegt werden. Die mathematisch-algorithmische Entwicklung des Simulations- und Optimierungstools obliegt dabei dem Lehrstuhl für Angewandte Mathematik III (AM3) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Im gesamten Projektverlauf soll dieses Modell experimentell validiert und auf Basis von Versuchen erweitert werden. Die zugehörigen Versuchsaufbauten werden gemeinsam vom Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) der FAU und der Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) des Universitätsklinikums Erlangen entwickelt und betreut. Dabei ist der LTE für die Mess- und Steueraufbauten verantwortlich, die SEON für die Nanopartikel und die Gefäßmodelle inkl. Untersuchungen an menschlichen Nabelschnurarterien.

Motivation

Die zunehmende Zahl von vernetzten Geräten und Sensoren, das „Internet of Things“ (IoT), ermöglicht vielfältige und neue Anwendungen. Sie sorgt aber auch für eine rasant wachsende Datenmenge. Die Verarbeitung von Daten an ihrem Entstehungsort (Edge Computing) hilft, damit effizient umzugehen. Edge Computing stärkt dabei die Funktionalität, Nachhaltigkeit, Vertrauenswürdigkeit und Wirtschaftlichkeit von Elektronikanwendungen durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Vernetzung. Ziel der OCTOPUS-Projekte ist es, anwendungsbezogen hochinnovative Elektronik bereitzustellen, um diese Vorteile zu erschließen.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Projekts ist es, die technologischen Grundlagen für eine KI-gestützte, flexible, effiziente und skalierbare Multi-Access Edge Cloud (MEC) zu schaffen, mit der zukünftige Mobilfunknetzwerke realisiert werden können. Diese soll über geringe  Latenz, hohe Frequenzagilität und hohe Datenraten verfügen. Dazu werden analoge und digitale Schaltungen entworfen, aufgebaut und verifiziert, um die zu übertragenden Radiosignale mithilfe einer zentralisierten KI-gestützten Algorithmik zu linearisieren. Durch neue Ansätze sollen die Anforderungen an Energieeffizienz, Frequenzflexibilität, Bandbreite, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz des Systems erreicht werden. Schwerpunkte sind neue Leistungsverstärkerarchitekturen auf Basis von Galliumnitrid (GaN) und eine neue Gesamtarchitektur, welche die Komplexität der MEC verringert.

Innovationen und Perspektiven

Mit der MEC können leistungsstarke und effiziente Mobilfunknetze aufgebaut werden, die komplexe Anwendungen, beispielsweise aus der Industrie oder Mobilität, unterstützen. Ein besonderes
Augenmerk liegt dabei auf dem Einsatz besonders energieeffizienter Technologien, um neben dem
digitalen Fortschritt auch den Europäischen Green Deal zu fördern.

Innovative, smarte elektronische Systeme werden meist erst durch dieVernetzung und den Einsatz von KI intelligent, also smart. Dies ziehteinerseits die Notwendigkeit nach einer wesentlich performanteren Verbindungder Komponenten innerhalb des Systems nach sich, als auch nach einerhoch-performanten Vernetzung einer Vielzahl solcher Systeme. Ist für den erstenAspekt insbesondere die Anbindung der Recheneinheit (DSP, FPGA oder ähnlich) andessen Peripherie entscheidend, so ist für die hochdatenratige Vernetzunginsbesondere eine sehr performante Verbindungsstruktur zwischen Recheneinheitund Schnittstelle zum Transportnetz notwendig. Hierbei realisiert dieSchnittstelle oft den Übergang von der elektrischen Domäne in die optischeÜbertragung. Um die erforderlichen Datenraten zwischen der Recheneinheit undder Schnittstelle physikalisch möglich zu machen, sind neue Aufbau- undVerbindungstechniken erforderlich, einhergehend mit neuen effizientenVerbindungsstrukturen. Insbesondere die dafür erforderliche enorme analogeBandbreite von 110GHz erfordert hier neue innovative Ansätze.

Moderne Fertigungstechnologien wie organische Multi-Chip-Module (MCM)erlauben den notwendigen hohen Integrationsgrad verschiedenster Komponenten aufeiner gemeinsamen Systemebene. Für viele Anwendungsbereiche wie beispielsweiseim Mobilfunk und in der optischen Datenkommunikation stellt das Verbinden vondigitalen Signalprozessoren (DSPs) und Speicherblöcken oder Interfacebausteinenauf einem gemeinsamen Trägermaterial (Interposer) einen entscheidenden Vorteildar. Dies wird im Rahmen des Projekts untersucht.

Dieses Projektvorhaben zielt auf die Erforschung eines skalierbaren, zweistufigen elektronisch-photonischen MIMO Radarsystems im Millimeterwellenbereich ab. In Phase I des SPP 2111 wurde bereits die kohärente optische Verteilung des Lokaloszillatorsignals sowie die breitbandige Integration eines EP-FMCW-Radar-Frontends untersucht. Die Vision für Phase II des SPP 2111 ist nun die Erweiterung eines monolithisch integrierten elektronisch-photonischen FMCW Radarsystems um einen neuen Frequenzmultiplex-Ansatz, der durch einen neuen zusätzlichen optischen Datenbus realisiert wird, der ein Hochgeschwindigkeits-Kodierschema überträgt. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Kodierung kann eine große Anzahl von kohärenten 2x2-Radarmodulen unterschieden werden, wobei die rechenintensive Kodierung in einem zentralen Knotenpunkt konzentriert wird. Insbesondere an den elektro-optischen Schnittstellen ist hierfür eine intensive Forschung unter Einbeziehen neuer Technologien für optische Modulationsverfahren und Komponenten notwendig, um die herausfordernden Bandbreitenanforderungen zu erfüllen.

MOTIVATION

Der Mobilfunk der sechsten Generation (6G) wird gänzlich neue Anwendungsszenarien in der Industrie, der Medizintechnik und dem alltäglichen Leben ermöglichen. Damit einher gehen neue und höhere Anforderungen an die Latenz, die übertragbare Datenrate, die räumliche Auflösung, sowie die Datenverarbeitung und das Energiemanagement der Kommunikationssysteme, welche derzeit nicht erfüllt werden können. Eine vielversprechende technologische Lösung bietet die Erschließung neuer Funkfrequenzen bis in den Terahertzbereich (THz). Damit können extrem hohe Datenraten und eine hochauflösende sensorische Erfassung ermöglicht werden. Für die Realisierung von 6G ist es daher wichtig, energieeffiziente THz-Empfänger und -sender mit steuerbarer Richtcharakteristik zu entwickeln, welche über hohe Signalgüte und Bandbreite verfügen. Unter anderem eröffnen optoelektronische Technologien hier vielversprechende Lösungsansätze.

ZIELE UND VORGEHEN

Im Projekt „Industrialisierbare Schlüsseltechnolo-gien für energieeffiziente Tbit-Transceiver in 6G Mobilfunksystemen - ESSENCE-6GM“ werden Lösungen erforscht, um Sende- und Empfangs-module für den Frequenzbereich knapp unter der Terahertzstrahlung (sub-THz) zu realisieren, welche ein kritischer Bestandteil künftiger 6G-Systeme sein werden. Für die technische Umsetzung stehen Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit an erster Stelle: Die Lösungen müssen in zukünftigen industriellen Serienproduktionen kostengünstig realisierbar und im Vergleich zu heutigen Lösungen im Betrieb deutlich energieeffizienter sein. Das Projekt setzt gezielt bei den kritischen Schwachpunkten heutiger Sender- und Empfängersysteme an: Durch die Einführung neuer Konzepte bei der Analog- und Digitalwandlung, Schaltungstechnik und Modulintegration können Sender- und Empfangseinheiten für sub-THz-Systeme energieeffizienter und hochleistungsfähiger gemacht werden. Zu Projektende ist die Demonstration eines Mehrantennensystems geplant, mit dem Datenraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde über 10 Meter hinaus in ausgewählten Nutzungsszenarien übertragen werden können.

INNOVATIONEN UND PERSPEKTIVEN

Im Projekt Essence-6GM werden Komponenten entwickelt, die eine leistungsfähige Übertragung im sub-THz-Bereich bei hoher Energieeffizienz ermöglichen. Insgesamt trägt das Projekt dazu bei, dass Deutschland eine führende Rolle bei der Ausgestaltung der 6G-Standards einnimmt und der Anteil von in Europa hergestellten Schlüsselkomponenten für 6G-Systeme gesteigert wird. Dies ist ein wesentlicher Beitrag, um die technologische Souveränität Deutschlands und Europas zu stärken.

MOTIVATION

Die zunehmende Zahl von vernetzten Geräten und Sensoren, das „Internet of Things“ (IoT), ermöglicht vielfältige und neue Anwendungen. Sie sorgt aber auch für eine rasant wachsende Datenmenge. Die Verarbeitung von Daten an ihrem Entstehungsort (Edge Computing) hilft, damit effizient umzugehen. Edge Computing stärkt dabei die Funktionalität, Nachhaltigkeit, Vertrauenswürdigkeit und Wirtschaftlichkeit von Elektronikanwendungen durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Vernetzung. Ziel der OCTOPUS-Projekte ist es, anwendungsbezogen hochinnovative Elektronik bereitzustellen, um diese Vorteile zu erschließen.

ZIELE UND VORGEHEN

Ziel des Projekts ist es, Radarsensoren zu entwickeln, die als künstliche Sinnesorgane fungieren können. Die Messfrequenz von 320 GHz ermöglicht eine hohe Auflösung. Sie wird durch einen neuen 90 nm BiCMOS-Halbleiterfertigungsprozess erreicht. Es werden grundlegende Schaltungen, Antennenkonzepte sowie eine 160 GHz Kommunikationsschnittstelle für die Radarmodule erforscht. In hoher Anzahl an Objekte angebracht und miteinander vernetzt, bilden die Sensoren eine Schutzhülle, die mithilfe intelligenter Algorithmen ihr Umfeld wahrnehmen kann. Die Sensordaten werden dabei sowohl in den Radarmodulen als auch in einem zentralen Rechensystem verteilt und energieeffizient verarbeitet. Für einen effizienten Datenaustausch werden zudem Datenkompressionsverfahren entwickelt. Die Funktionalität wird anhand von Automotive-Szenarien erprobt.

INNOVATIONEN UND PERSPEKTIVEN

Die Schutzhülle stellt eine „Radarhaut“ als künstliches Sinnesorgan dar und birgt hohes Potenzial für zukünftige, autonom agierende Systeme wie unbemannte Fahrzeuge, Drohnen, Industrie- oder Haushaltsroboter. Damit können sie sich im Umfeld des Menschen bewegen und mit Menschen sowie mit anderen autonomen Systemen sicher interagieren.

Motivation

Quantencomputer gelten heute als die Rechenmaschinen der Zukunft. Sie verwenden sog. Qubits statt der herkömmlichen Bits der klassischen Computertechnik. Die besonderen Eigenschaften dieser Qubits erlauben dem Quantencomputer, alle mit den Qubits darstellbaren Zustände gleichzeitig einzunehmen, während herkömmliche Computer pro Rechenschritt nur mit einer der durch die verfügbaren Bits darstellbaren Kombination arbeiten können. Mit Quantencomputern lassen sich so Aufgaben lösen, an denen herkömmliche Computer scheitern. Vorgänge auf molekularer Ebene lassen sich simulieren, so dass z. B. die Wirkungsweise von neuen Wirkstoffen für die Pharmaindustrie vorhergesagt werden kann. Ebenso können Quantencomputer Wege finden, um hocheffiziente Batteriespeicher zu entwickeln, oder komplexe Probleme im Verkehrsmanagement lösen.

Ziele und Vorgehen

Im vorliegenden Verbundprojekt soll der Demonstrator eines Quantencomputers auf der Basis supraleitender Schaltkreise aufgebaut werden und ebenso die Peripherie, die notwendig ist, um den Quantencomputer an herkömmliche Computersysteme anzubinden. Die Arbeiten umfassen die Erforschung von Mikrowellenschaltkreisen zur Kontrolle der Qubits, die Erforschung von Integrationsmethoden für supraleitende Schaltkreise, und reichen bis zur Entwicklung angepasster Compiler und Laufzeitumgebungen für den Quantencomputer. Der zugehörige Quantenprozessor soll mit bis zu 100 Qubits rechnen können und wäre damit in der Lage zehn hoch dreißig Zustände gleichzeitig darstellen zu können (das ist etwa das Zehnmilliardenfache der Anzahl an Sternen, die das Universum schätzungsweise hat).

Innovation und Perspektiven

Ziel der Arbeiten ist es u.a. einen zuverlässigen Betrieb eines solchen Quantencomputers sicherzustellen, und auf der anderen Seite die Peripherie zu schaffen, um die Rechenleistung dieses Computers für eine breite Gruppe von Anwendern per Cloud-Computing zur Verfügung zu stellen.

TIEMPO ist ein Projekt zur Entwicklung eines I/Q Sendeempfängers für ein digitales Rauschradar mit Spektrumsspreizung im Frequenzbereich zwischen 220 GHz und 420 GHz: Dies entspricht einer Rekordbandbreite von 200 GHz. In diesem Projekt wird die Idee des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (FMCW) in Kammarchitektur aufgegriffen und ein digitales Äquivalent erstellt. Um die extrem hohe Bandbreite zu erzielen, muss eine neuartige Systemarchitektur implementiert werden, die sogenannte „Schachbrett-Spektraldivision“. Dank einer eleganten Lösung auf Systemebene, genügt ein einzelner Oszillator, der bei einer festen Frequenz betrieben wird, um fünf lokale Trägerfrequenzen (LO) zu erzeugen, die die gesamte Bandbreite abdecken. Darüber hinaus kann die Anzahl an notwendigen Sende- und Empfangskanälen halbiert werden, indem hochgeschwindigkeits-I/Q-Komponenten mit der „Schachbrett“-Architektur verknüpft werden. Die Systemarchitektur kann auch in der Kommunikationstechnik Anwendung finden, da die Digitalsequenz extern generiert wird.Sehr hohe Bandbreiten führen zu Herausforderungen im Schaltungsentwurf, dem primären Fokus dieses Antrags: (1) I/Q Datenkonverter mit 8 bit Auflösung, 20 GHz Bandbreite und 40 Gbps Datenrate; (2) I/Q Sender und Empfänger, die bei über 400 GHz arbeiten; (3) LO Signalerzeugung, die die gesamte Bandbreite abdeckt; (4) In den Chip integrierte Antennen mit 200 GHz Bandbreite und hoher Effizienz. Diese Arbeitsfrequenzen befinden sich in der Nähe oder oberhalb von fmax der geplanten Validierungstechnologie, dem 22 nm FD-SOI (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator) CMOS Prozess von Globalfoundries. Dies erfordert neuartige Schaltungen und Systemarchitekturen, die die techologischen Einschränkungen überwinden. Nach unserem Wissen ist dieser Ansatz der erste digitale Radarsendeempfänger mit Sprektrumsspreizung in diesem Frequenzbereich, sowie der erste mit einer Bandbreite von 200 GHz.

Der Open6GHub wird zur Entwicklung einer 6G Gesamtarchitektur, aber auch Ende-zu-Ende Lösungen unter anderem in folgenden Bereichen beitragen: erweiterte Netzwerktopologien mit hochagiler sogenannter organischer Vernetzung, Security- und Resilienz, Thz- und photonische Übertragungs verfahren, Sensorfunktionalitäten in den Netzen und deren intelligente Nutzung und Weiterverarbeitung und anwendungsspezifische Radioprotokolle.

An der FAU wird hierzu unter der Leitung von Prof. Franchi (ESCS), Prof. Weigel (LTE) und Prof. Vossiek (LHFT) geforscht. Am Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) werden insbesondere Joint-Communications-and-Sensing-Technologien sowie deren Anwendung in resilienten 6G-Campusnetzen erforscht. Hierfür wird eng mit den Lehrstühlen ESCS und LHFT kooperiert. Des Weiteren findet am LTE der Entwurf von integrierten Device-to-Device Kommunikationschips für die Nutzung um 140 GHz statt.

Der Fokus von ESCS liegt auf JCAS, adaptiven RAN-Architekturen, Protokolldesign und Wellenformdesign für 6G. Darüber hinaus befasst sich ESCS mit Themen wie Resilience-by-Design und Security-by-Design.

Der geplante SFB „Empathokinästhetische Sensorik“ (EmpkinS) erforscht neuartige radar-, funk-, tiefenkamera- und photonikbasierte Sensortechniken sowie Körperfunktionsmodelle und Algorithmen, mit denen über die berührungslose Erfassung von Bewegungsparametern des Menschen eine Wahrnehmung und Bewertung der physiologischen und behavioralen Zustände und Körperfunktionen ermöglicht wird. EmpkinS verfolgt das Ziel, Sensortechnologien und Bewegungsdaten des menschlichen Körpers zu schaffen. Basierend auf diesen Daten völlig neuer Qualität und Quantität wird EmpkinS bahnbrechende Erkenntnisse im Bereich von biomechanischen, medizinischen und (psycho-)physiologischen Körperfunktionsmodellen und Wirkmechanismen sowie den Wechselwirmechanismen zwischen diesen erarbeiten. Die EmpkinS-Leitidee besteht darin, dass menschliche Bewegungsparameter sowohl der Makroebene (Körper bzw. Körpersegmente, kardiopulmonale Funktion) als auch der Mikroebene (Mimik, Faszikulation) feingranular aus der Ferne, d. h. minimal störend und nichtinvasiv erfasst werden. Aus diesen Daten werden dann die dem Bewegungsmuster zugrundeliegenden physiologischen und behavioralen Zustände unter Nutzung biomechanischer, neuro- und psychomotorischer Körperfunktionsmodelle algorithmisch rekonstruiert. Die Verknüpfung der körperinneren, biomedizinischen und der äußeren, medizintechnischen Ebenen, die durch die Sensorik sowie die Körperfunktionsmodelle und die Inversion der Wirkmechanismen geschaffen wird, ist hochinnovativ, außerordentlich komplex und bisher in vielen Bereichen unerforscht.Zur Lösung der herausfordernden Forschungsfragen umfasst EmpkinS ein interdisziplinäres Forschungsprogramm, das sich kohärent entlang der sensorischen Kette von der primären Sensortechnik (Projektbereich A) über die Signal- und Datenverarbeitung (Projektbereiche B und C), der zugehörigen Modellierung der Vorgänge im menschlichen Körper (Projektbereiche C und D) bis hin zur psychologischen bzw. medizinischen Interpretation (Projektbereich D) der Sensordaten gliedert. Ethikforschung (Projektbereich E) zur Sicherstellung eines verantwortungsvollen Einsatzes der EmpkinS-Technologie ist integraler Bestandteil des SFB.Das auf zwölf Jahre ausgelegte Forschungsprogramm des SFB EmpkinS wird Methodologien und Technologien erschaffen, die neuartiges Grundlagenwissen über die Verknüpfung von inneren biomedizinischen Prozessen des menschlichen Körpers mit äußerlich und berührungslos, per funk- und wellenbasierter Sensorik erfassbaren Informationen, bereitstellen werden. EmpkinS wird mit diesen medizintechnischen Sprunginnovationen völlig neuartige „digitale“, patientenzentrierte Diagnose- und Therapiemöglichkeiten für Medizin und Psychologie eröffnen.Die Medizintechnik stellt einen Forschungsschwerpunkt mit Leuchtturmcharakter der Region Erlangen-Nürnberg dar. Ausgehend von dem diesem exzellenten Hintergrund und mit den vielfältigen Vorarbeiten startet EmpkinS von einer schlagkräftigen sowie äußerst soliden Basis.

In diesem EmpkinS-Teilprojekt sollen lokalisierbare Elektromyographie (EMG)-Funktransponder entworfen und realisiert werden, um erstmals Oberflächen-EMG-Daten synchron mit einer hochgenauen Funkortung in Echtzeit erfassen zu können. Hierfür wird ein 61-GHz-Transceiver in CMOS-Technologie entworfen, der das für das holografische Funkortungsverfahren notwendige phasenkohärente Signal aussendet und gleichzeitig extrem energiesparend ausgelegt werden muss. In einem weiteren Schritt soll der Transceiver in einer EMG-Sensorplattform integriert werden, die in Versuchsreihen an Probanden z. B. im Gesicht oder an den Beinen zur Analyse der Mimik oder des Ganges evaluiert werden soll.

Die Quanteninformationsverarbeitung (QIP) und allgemein der Einsatz von Quantentechnologien (QT) für Kommunikation, Sensorik, Metrologie und Berechnungen hat sich im letzten Jahrzehnt zu einer Schlüsseltechnologie für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik entwickelt. Die Fähigkeit, Quantenzustände zu erzeugen und zu manipulieren und bei Bedarf Überlagerungen und Verschränkungen zu erzeugen, hat zur Entwicklung von Mess- und Rechenverfahren geführt, die weit über die klassischen Werkzeuge hinauszugehen versprechen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Physik der Quanteninformation (QI) in Labors entwickelt und es wurden Wege zu Quantengeräten mit unübertroffenen Eigenschaften aufgezeigt [ARU19]. Insbesondere hat sich gezeigt, dass das Quantencomputing (QC) eine noch nie dagewesene Rechenleistung für die Lösung einiger schwieriger Probleme verspricht, vor allem wenn Quanteneigenschaften beteiligt sind, wie zum Beispiel bei chemischen Berechnungen und bei Quantensimulationen von Vielkörperproblemen, wie sie in den Materialwissenschaften häufig vorkommen. Darüber hinaus verbessern Quantenverfahren die Optimierungsroutinen und können zur effizienten Lösung einiger schwieriger mathematischer Probleme, wie z. B. dem Faktorisieren, verwendet werden.

In den letzten zehn Jahren haben Laborversuche mit Quantencomputern ihre einzigartigen Rechenfähigkeiten unter Beweis gestellt und den Anstoß gegeben, solche Geräte für einen breiteren Einsatz in industriellen Anwendungen verfügbar zu machen. IBM hat Quantencomputer über einen Cloud-Zugang verfügbar gemacht und eine große Zahl von Nutzern und Kunden angezogen, die sich mit der neuen Technologie vertraut machen wollen. Google hat das demonstriert, was sie als "Quantenüberlegenheit" bezeichnet haben, d. h. es zeigt einen großen Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu klassischer Rechenleistung. Der bisher demonstrierte Algorithmus (Zufallsschaltungen) ist zwar für praktische Zwecke unbrauchbar, aber er hat deutlich gezeigt, welcher Quantenvorteil erzielt werden kann. Dieses Rechenpotenzial führte zur Gründung hunderter Start-ups, sowohl hardware- als auch softwareorientiert, auf der Suche nach der Realisierung skalierbarer Quantengeräte und -algorithmen. Die meisten dieser neu gegründeten Unternehmen wurden in den USA, Kanada, Australien, einigen Ländern des Vereinigten Königreichs, den Niederlanden und anderen europäischen Ländern gegründet, aber nur sehr wenige in Deutschland, obwohl ein Großteil der Grundlagen und viele der nachgewiesenen Quantenfunktionen in Europa gewonnen wurden. Im Bewusstsein der potenziellen Vorteile von QC und der allgemeinen Verwendung von QT und den dazugehörigen Geräten bilden sich derzeit mehrere Initiativen, um QC und QT in Deutschland und insbesondere in Bayern zu etablieren. Die Kompetenz in QC und QT wird fortschrittliche Technologien ermöglichen und die führende Rolle der deutschen und bayerischen Industrie für die nächsten Jahrzehnte sichern.

Die Initiative MQV - Munich Quantum Valley will das fundierte Quantenwissen der Forschungsinstitute und Universitäten in Bayern mit den Expertentechnologien der Unternehmen und der Industrie verbinden, um die QC-Technologie und ganz allgemein das Know-how in der QT zu entwickeln und bereitzustellen. Es wird erwartet, dass im Zuge der geplanten Arbeiten neue Start-up-Unternehmen gegründet werden, die das Technologieumfeld verbessern und Bayern für Forschung und Entwicklung zunehmend attraktiver machen. Darüber hinaus zielt die Initiative darauf ab, eine neue Generation von Ingenieuren mit einem Hintergrund in der Quantentechnologie und von Quantenphysikern mit soliden technischen Kenntnissen auszubilden, um die Grundlage für neue Quantenanwendungen und Quantengeräte als Ressource für die Gestaltung der Zukunft zu schaffen.

Der von der bayerischen Staatsregierung forcierte Breitbandausbau der bestehenden Mobilfunknetze, aber auch der geplante Aufbau ganz neuer Netzinfrastrukturen, wie sie im Rahmen des autonomen Fahrens und der fortschreitenden Industrieautomation (Industrie 4.0) benötigt werden, wird in Zukunft zwangsläufig zu einer immer dichteren Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums sowie zur Reallokation zusätzlicher
Frequenzressourcen (Beispiel Digitale Dividende I und II) führen. Um die, für die 5G Netze geforderte, hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig stark steigenden Teilnehmerzahlen (IoT) zu gewährleisten, rücken die Eigenintermodulation und Störfestigkeit der Netzinfrastrukturkomponenten immer stärker in den Fokus des Interesses. Dabei spielt u.a. auch die sog. passive Intermodulation (PIM), die an den passiven Komponenten der Netzinfrastruktur, wie Kabeln, Konnektoren, Filtern und Antennen auftritt, eine immer größere Rolle. Das Projekt soll eine innovative Gerätearchitektur für PIM-Analysatoren erforschen, die eine Abdeckung einer möglichst großen Anzahl von 5G Frequenzbändern mit nur einem Gerät erlaubt und zudem flexibel weitere, ggf. zukünftig den 5G Netzen zugeteilte, Bänder abdecken kann. Sowohl für die PIM Messtechnik als auch für die allgemeine EMV Messtechnik, werden hohe Signalleistungen
benötigt, die durch Leistungsverstärker aufwendig erzeugt werden müssen. Diese Leistungsverstärker bestimmen maßgeblich die Kosten sowie die erreichbare Performanz der Messsysteme. Aktuell am Markt verfügbare Verstärkerlösungen sind dabei entweder in ihrer Bandbreite stark limitiert, sodass Messsysteme nur bandspezifisch angeboten werden können, was den Anforderungen eines zunehmenden Breitbandausbaus widerspricht, oder weisen eine so geringe Energieeffizienz auf, dass sie für batteriebetriebene Feldtestanwendungen nicht in Frage kommen.

Die Antragsteller verfolgen mit dem angestrebten Verbundprojekt das Ziel, sehr breitbandige und zugleich energieeffiziente sowie lineare Hochfrequenzleistungsverstärkermodule zu analysieren und den Einsatz in PIM Analysatoren zu evaluieren. Die Verbundpartner beabsichtigen mit dem beantragten Projekt die Grundlagen für eine neue Messgerätegeneration zu legen, die eine erheblich effizientere Lokalisierung von PIM Störungen in 5G Netzen erlaubt und damit den Netzbetreibern als wichtiges Tool für die Sicherstellung einer durchgehenden
Service-Qualität ihrer 5G-Netze dient. Nicht zuletzt böte dies für die beteiligten Firmen eine große Chance, ihre Marktposition auf dem Weltmarkt gemeinsam zu verbessern und zusammen mit der FAU-Erlangen-Nürnberg Innovationen im Mobilfunk an vorderster Front mit zu treiben.

Multiport and multimodal energy harvesting array systems require further circuit advancements. Wearables for health monitoring are an excellent energy harvesting example at raising interest. Further applications: smart city, building/bridge structure and environmental monitoring

- Should be energy autonomous for easy handling, no charger, always ready to go for 24/7 use
- SoA: Only single port harvesters! Require multiport harvesters for multiple asynchronous energy sources!
- Multimodal harvesting (pressure, solar, thermal,…) and arrays increase availability of energy
- Energy harvesting at high conversion efficiency needed
- Provision of energy for: (i) local sensor acquisition, (ii) local data processing, and (iii) Wireless connectivity, WAN needs more energy than BAN
- Wireless connectivity BAN (Body Area Network, e.g. Bluetooth) replaced by WAN (Wide Area Network, cellular IoT)

The primary research goal is the development of improved circuit design for multiport harvesters dealing with asynchronous energy sources in a piezo array

- Can the piezo elements be simultaneously used as sensors and energy providers?
- How to deal with asynchronous energy sources?
- How to ensure high availability and stability of energy?
- How to increase conversion efficiency?

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.

Peil-Systeme zurIdentifikation von Funksignale und damit zur Identifikation von unbekanntenFunkquellen sind ein wichtiges Instrument in der Aufklärung und der Ortungelektromagnetischer Aussendungen.

Derrechentechnische Aufwand, der in modernen, hochqualitativen Peilanlagenabgedeckt werden muss, ist generell sehr hoch und erfordert eine entsprechendleistungsfähige und aufwändige Infrastruktur (Rechnerressourcen, Netzwerk,Stromversorgung, Kühlung, Systemintegration). Dies spielt bei stationären Systemen- abgesehen vom Preis - eine eher untergeordnete Rolle, da man dieseInfrastruktur vergleichsweise einfach bereitstellen kann. Bei mobilen Systemenhingegen stößt man sehr schnell an Grenzen, die teils durch die mobilePlattform selbst (u.a. Landfahrzeug, Schiff, Flugzeug) und teils durch denEinsatzfall bestimmt werden. Mit verschiedenen Mitteln und unter Hinnahmegewisser Einschränkungen kann man gute Peilanlagen auch auf mobilen Plattformeneinsetzen, allerdings treibt das den Aufwand und die Kosten immens in die Höhe.

Das Projekt soll einemögliche Implementierung mobiler Peilsysteme analysieren, erforschen underproben. Hierfür werden verschiedene Hardware-Lösungen verifiziert undverglichen. Zudem werden innovative Algorithmen entwickelt, die für mobileSystem mit weniger performanter und weniger effizienter Hardware zugeschnittensind, um ein sowohl mobiles als auch möglichst effizientes System zu erhalten.Hierzu werden in diesem Projekt hochspezialisierte Hardware wie FPGAs oder GPUsverwendet, um die Systeme effizienter, kleiner und leichter zu machen.

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.

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.