Technische Universität Dresden

Beachten Sie bitte auch die aktuellen Angebote vor dem Raum BAR II/26 oder fragen Sie die Arbeitsgruppenleiter nach möglichen Themen!

Arbeitsgruppe Entwurfsautomatisierung

Elektronik- bzw. Sensor-Entwurf
In Zusammenarbeit mit der Dresdner Firma InfraTec GmbH werden folgende zwei Themen angeboten:
(1) Testmethode zur Identifikation von Infrarotfiltern in der Sensorfertigung: Pyroelektrische Infrarot (IR)-Sensoren werden häufig in der Gasanalyse eingesetzt. Oft werden mehrkanalige Sensoren verwendet, um verschiedene spektrale Anteile der auftreffenden Infrarotstrahlung auszuwerten. Im Fertigungsprozess muss mit der zu entwickelnden Testmethode sichergestellt werden, dass die korrekten Filter bestückt sind und keine Vertauschung zwischen den Kanälen passiert. Teilaufgaben sind: (a) Konzepterarbeitung zur spektralen Identifikation der IR-Filter je Sensorkanal, (b) Aufbau der Messtechnik mit den mechanischen und optischen Komponenten sowie der Software, (c) Inbetriebnahme und Test

(2) Linearitätsmessung von IR-Sensoren: Pyroelektrische Infrarot (IR)-Sensoren finden Anwendung in Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Spektrometern. Je nach Messsituation kann die Bestrahlungsstärke auf den Sensor über mehrere Größenordnungen variieren - von Mikrowatt bis einige zehn Milliwatt. Dabei ist es essenziell, dass der Sensor stabil und linear, d.h. mit einer gleichbleibenden Empfindlichkeit, arbeitet. Ziel der Arbeit sind eine Messmethode und ein prototypischer Aufbau, welcher nachfolgend zu einer Serienprüftechnik weiterentwickelt werden kann. Teilaufgaben sind: (a) Entwicklung und Umsetzung eines Konzepts für die Messung der Sensorempfindlichkeit mit variablem Gleichanteil der Bestrahlung, (b) Aufbau und Inbetriebnahme des Messplatzes, (c) Softwareentwicklung für die Ansteuerung der Komponenten und die Datenauswertung.

Lebensdauermessungen zur experimentellen Charakterisierung von Elektromigrationserscheinungen
Zur experimentellen Untersuchung der Elektromigration (EM) werden Leiterbahnen bei erhöhter Temperatur mit hohen Stromdichten belastet. Das Ende der Lebensdauer ist erreicht, wenn sich der Widerstand der Leiterbahn ändert. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll ein am IFTE bestehender Versuchsstand zur EM-Messung in Betrieb genommen und getestet werden. Außerdem soll für vorhandene Chips eine Leiterplatte zur EM-Messung entworfen werden. Nachdem diese (extern) gefertigt wurde, soll die Inbetriebnahme und Dokumentation des Versuchsaufbaus erfolgen.

Thermischer Entwurf für optische integrierte Schaltkreise (OICs) auf Siliziumbasis
Zahlreiche Anwendungen im Hochfrequenzbereich (z.B. in der Telekommunikation) lassen sich günstig optisch realisieren. Um Kosten zu senken und eine höhere Integrationsdichte zu erreichen, entstehen die optischen Systeme immer häufiger in Form integrierter Schaltkreise, teilweise in Silizium-Chips. Silizium hat jedoch den Nachteil einer starken Temperaturabhängigkeit der optischen Eigenschaften. Deshalb ist dabei der thermische Entwurf von herausragender Bedeutung.
Am Institut werden Entwurfsmethoden für kohärente Ising-Maschinen entwickelt. Das sind nicht-klassische Spezialrechner in Silizium-OICs, die bestimmte mathematische Probleme sehr effizient lösen können (vergleichbar mit Quantencomputern). Dabei verschärfen sich noch einmal die thermischen Herausforderungen bei Silizium-OICs.
In dieser Arbeit sind aus thermischen Analysen optischer Bauelemente Randbedingungen und Regeln abzuleiten, die für den Entwurf optischer integrierter Schaltkreise verwendet werden können.

Entwicklung eines Planungswerkzeugs für Messungen an Bauwerken
Bei der Überwachung und Zustandsanalyse von Bauwerken, wie zum Beispiel Brücken, sind zahlreiche Messungen vorzubereiten, die beispielsweise mit Radarsensoren durchgeführt werden. Dabei müssen zahlreiche Randbedingungen berücksichtigt werden, wie die Positionierbarkeit von Sensoren, die erreichbare Messauflösung und die Signalqualität. Um die Planung solcher Messungen zu vereinfachen soll ein Softwarewerkzeug entwickelt werden, das die Optimierung von Sensorpositionen für die Messungen unter Berücksichtigung von Konstruktions-, Topographie- und Simulationsdaten ermöglicht.

Vergleich von Systemen zur Distanzmessung mit mmWave-Radarsensoren
Im Bereich der Bauwerksüberwachung wird zunehmend auf mmWave-Radarsensorik zurückgegriffen, um an Gebäuden robuste, akkurate und outdoor-taugliche Messungen bei gleichzeitig hoher Auflösung durchzuführen. Dabei stehen sowohl Langzeitmessungen als auch kurzzeitige Belastungstests gleichermaßen im Fokus der Untersuchungen. Für derartige Messaufgaben kommen verschiedene Frequenzbereiche in Frage, die allesamt in Bezug auf Reichweite, Auflösung und Energieeffizienz Vor- und Nachteile mit sich bringen. Dementsprechend werden am Markt unterschiedliche Lösungen angeboten, deren grundlegende Evaluation und Charakterisierung Ziel dieser studentischen Arbeit sein soll. Hierbei steht die Entwicklung eines universellen Prüfstands im Mittelpunkt, mit dessen Hilfe wiederholbare Messungen an unterschiedlichen Radarsystemen durchgeführt werden können.

Autarke Langzeitüberwachung von Bauwerken
Für die langfristige Vermessung kritischer Infrastruktur sind Messsysteme notwendig, die einmalig und ohne komplexe Einrichtungsvorgänge an Bauwerken angebracht werden können und fortan eigenständig Messwerte aufzeichnen und auf Anfrage zur Verfügung stellen. Bestehende mmWave-Radarsensoren erfüllen bereits bezüglich ihrer Genauigkeit und Robustheit die geltenden Anforderungen, wiesen jedoch für einen produktiven Einsatz hinsichtlich Energiemanagement und situationsabhängiger Messvorgänge Optimierungspotential auf. In einer studentischen Arbeit sollen nun Ansätze für autarke Messsysteme auf Basis von bestehender mmWave-Messtechnik evaluiert werden.

Erzeugung von 3D-Verlegewegen am Beispiel von Kfz-Bordnetzen
Moderne Kraftfahrzeuge bieten eine Vielzahl an Funktionen mit einer hohen Anzahl an Komponenten und Steuergeräten. Ein umfangreiches Bordnetz verbindet diese miteinander und durchzieht das gesamte Fahrzeug in Form eines Kabelbaums (siehe hier).
Am Institut werden Algorithmen entwickelt, um die Verkabelung zu optimieren. Dafür wird ein Graph als Datenstruktur genutzt, wobei Knoten die Einbauorte der Komponenten darstellen und Kanten die potenziellen Verlegewege der Kabel im Auto. Die Erstellung eines Graphen für ein bestimmtes Fahrzeugmodell geschieht aktuell in langwieriger Handarbeit.
Ziel der Arbeit ist die automatisierte Generierung des Graphen anhand eines gegebenen 3D-Modells des Fahrzeugs. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in bestimmten Bereichen (Sitzbereiche, ...) Sperrzonen das Verlegen von Kabeln verhindern.
Die Arbeit umfasst folgende Teilaufgaben:

• Literaturrecherche zur Generierung von räumlichen Graphen
• Prototypische Implementierung eines Algorithmus zur Graphgenerierung (z. B. in Python):
  • Generierung eines Graphen für ein vorgegebenes 3D-Modell
  • Berücksichtigung von Sperrzonen
  • Optimierung durch u. a. Zusammenfassung nah beeinander liegender Kanten
• Evaluierung von Funktionsfähigkeit, Speicher- und Zeitkomplexität anhand gegebener Testdaten

Integration des Schaltplaneditors Qucs-S in eine schaltplangesteuerte Layoutentwurfsumgebung
Beim Entwurf integrierter Analog- und Mixed-Signal-Schaltungen mit kommerziellen Entwurfswerkzeugen sind die Erstellung des Schaltplans und des Layouts eng miteinander verknüpft. Sie sind verschiedene Sichtweisen auf den Entwurf, die meist gleichzeitig angezeigt werden und miteinander interagieren können. Für den schaltplangesteuerten Layoutentwurf mit Open-Source-Werkzeugen wurde am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design das Programm OpenOrchestrator entwickelt. Es erlaubt die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Schaltplaneditor Xschem und dem Layouteditor KLayout und synchronisiert die jeweils ausgewählten Instanzen und Netze.
Für den Entwurf von RF-Schaltkreisen wird häufig der Open-Source-Schaltplaneditor Qucs-S genutzt. Im Gegensatz zu Xschem besitzt Qucs-S keine Schnittstelle zur Kommunikation bzw. Interaktion mit anderen Programmen. In dieser Arbeit soll daher das in C++ geschriebene Qucs-S um einen TCP-Client erweitert werden, der einen Teil der Funktionen des Editors zugänglich macht. So sollen z. B. Nachrichten geschickt werden, wenn sich das ausgewählte Element ändert. Außerdem soll die Auswahl von außen verändert werden können. Die Kommunikation, die aktuell zwischen Xschem und KLayout erfolgt, soll also auch zwischen Qucs-S und KLayout funktionieren.

Textuelle Repräsentation von annotierten Test-Layouts zur Entwurfsregelverifizierung und -visualisierung
Das Process Design Kit (PDK) einer Halbleitertechnologie enthält alle für den Entwurf integrierter Schaltkreise notwendigen Technologieinformationen, wie z. B. die verfügbaren Layer, Bauelementmodelle sowie die Entwurfsregeln. Zur standardisierten Beschreibung dieser Daten wird am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design das Design Rule Format (DRF) entwickelt. Aktuell noch nicht möglich ist die Speicherung von Test-Layouts in diesem YAML-basierten Format. Sie dienen zur Überprüfung von Entwurfsregeln und zur visuellen Darstellung in Design Manuals.
In dieser Arbeit soll das Format erweitert werden, sodass Test-Layouts gespeichert werden können. Dabei soll es möglich sein, die Layouts um Beschriftungen zu ergänzen, z. B. für das Einzeichnen von Breiten und Abständen. Auf Basis der textuellen Beschreibung ist der Export eines exakt skalierten Layouts im GDS-Format, sowie einer kompakten Darstellung als PDF umzusetzen. Für das Erstellen und Bearbeiten der Layouts ist eine Erweiterung für KLayout zu entwickeln.

Unterstützung des schaltplangesteuerten Layoutentwurfs durch die Rückannotation parasitärer Bauelemente
Die Parasitenextraktion (PEX) analysiert das Layout einer integrierten Schaltung und ermittelt parasitäre Bauelemente, wie z. B. Widerstände und Kapazitäten, die ungewollt durch die Verdrahtung entstehen. Mit der resultierenden Netzliste kann anschließend eine Post-Layout-Simulation durchgeführt werden, um die Performance der Schaltung nach dem Layoutentwurf erneut zu überprüfen.
Im Bereich der Open-Source-EDA gibt es mehrere Programme, die eine Parasitenextraktion durchführen können, z.B. MAGIC und KLayout-PEX. In dieser Arbeit sind diese Programme zu testen und mit kommerziellen Werkzeugen zu vergleichen. Anschließend soll die am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design entwickelte schaltplangesteuerte Layoutentwurfsumgebung OpenOrchestrator um die Rückannotation (engl. back annotation) ausgewählter parasitärer Bauelemente in den Schaltplan erweitert werden.

Formale Verifikation von PyCells
PyCells sind in Python implementierte Generatoren zur automatisierten Erzeugung der Layouts von Bauelementen für den Entwurf integrierter Schaltkreise (ICs). Sie können zahlreiche Parameter besitzen und dadurch viele unterschiedliche Geometrien für ein einzelnes Bauelement generieren. So werden sie zum Beispiel dafür benutzt, Widerstände mit beliebigen Nennwerten oder Transistoren mit verschiedenen Breiten und Längen zu erzeugen.
In dieser Arbeit soll ein Verfahren zur formalen Verifikation von PyCells entwickelt werden. Ziel ist es, durch statische Analyse des Python-Quelltexts zu gewährleisten, dass alle potenziell generierbaren Layouts die technologischen Regeln einhalten und somit frei von DRC-Fehlern sind. Dazu werden die bei Programmausführung erzeugten Geometrien, inklusive ihrer relativen Anordnung, extrahiert und auf Verletzung fundamentaler Regeln wie Minimalbreiten oder Mindestabstände geprüft.

Arbeitsgruppe Entwurf elektronischer Systeme

Entwicklung einer Vorrichtung zum Digitalisieren historischer Zahnräder
Die Zahngeometrie historischer Zahnräder folgt meist keinem formtheoretischen Modell. Ihre Herstellung beruhte vielmehr auf handwerklichen Verfahren, die innerhalb von Werkstätten weitergegeben wurden. Dabei setzten sich Formen durch, die sich in der Praxis bewährten und mit den verfügbaren Mitteln gefertigt werden konnten. Es besteht daher die Vermutung, dass sich durch die Analyse und mathematische Modellierung historischer Zahnformen Traditionslinien verschiedener Werkstätten unterscheiden lassen und daraus Hinweise für historische Untersuchungen gewonnen werden können.
Für solche zukünftigen Untersuchungen ist zunächst eine geeignete Methode zur hinreichend genauen und reproduzierbaren Digitalisierung historischer Zahnräder erforderlich. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung einer entsprechenden Vorrichtung. Das geeignete Abbildungsprinzip sowie die daraus abzuleitenden technischen Anforderungen sind im Rahmen der Arbeit zu untersuchen und festzulegen.
Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Recherche zum Stand der Technik hinsichtlich historischer Zahnformen sowie geeigneter Verfahren und Vorrichtungen zu deren digitaler Erfassung,
• Entwicklung eines Konzepts zur reproduzierbaren Abbildung von Zahnrädern unterschiedlicher Größe,
• Recherche, Bewertung und Auswahl notwendiger Komponenten,
• Konstruktion und Aufbau der Vorrichtung,
• Charakterisierung der wesentlichen Eigenschaften und Grenzen anhand geeigneter Referenz- und Beispielobjekte,
• Dokumentation der Ergebnisse.

Driftvermeidung von IMU-gestützten Systemen für die Indoor-Positionsbestimmung
Bei sicherheitskritischen industriellen Montageprozessen besteht oft die Notwendigkeit einer exakten Überwachung der Werkzeugposition und -ausrichtung. Hierfür existieren Systeme, die die Pose handgeführter Werkzeuge durch Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen präzise ermitteln können. Diese Systeme können jedoch durch Fremdultraschall und Sichtverdeckung gestört werden, wodurch zeitweise keine verlässliche Information über die Position und Ausrichtung des Werkzeugs zu Verfügung steht.
Um diesem Nachteil zu begegnen überbrücken IMU-basierte Stützsysteme die Positionsermittlung in Zeiten dse Signalausfalls. Trotz steter Verbesserungen der verfügbaren Sensortechnik ist dieser Ansatz jedoch noch immer mit akkumulierten Fehlern versehen, der so genannten Drift. Verschiedene Ansätze für das Erkennen, Kompensieren und Vermeiden von Driftfehlern bei IMU-Systemen sollen im Rahmen von Studien- oder Diplomarbeiten untersucht werden:

• Intelligentes Sensor-Matching basierend auf Metriken wie Allan-Varianz u. a.
• Adaptiver Kalman-Filter mit kontinuierlicher Anpassung der Fehlerparameter
• Sensor-Fusion mit sekundären Datenquellen wie bspw. SLAM mit optischen Kameras, 2D-ToF-Sensoren oder mmWave-Radar

Arbeitsgruppe Feinwerktechnische Konstruktionen und Systeme

Prüfstand zur Wirkungsgradbestimmung von Spindel-Mutter-Systemen
Medizinische Dosiersysteme, Stellantriebe, Ventile – oft müssen rotierende Bewegungen in lineare / translatorische Bewegungen umgesetzt werden. Spindel-Mutter-Systeme lösen das auf sehr kleinem Bauraum.
Für den Erfolg dieser Systeme ist ihr Wirkungsgrad entscheidend, der je nach Design, Lastfall und Befettung zwischen 10% und 60% liegen kann. Jede Auslegung muss durch praktische Messungen verifiziert werden, jedoch ist das Spindel-Mutter-System meist schon im Antriebssystem integriert, sodass eine individuelle Bestimmung der Spindel-Wirkungsgrades kaum möglich ist.
Ziel der Arbeit ist es, einen modularen Prüfstand für die Wirkungsgradmessung von Spindel-Mutter-Systemen zu entwickeln, aufzubauen und mit entsprechender Messtechnik auszustatten. Der Prüfstand soll flexibel verschiedene Baugrößen von 2mm bis 10mm Spindeldurchmesser bzw. Kräfte von 20N bis 200N analysieren können.
Die Arbeit ist eine vielseitige mechatronische Aufgabe mit hohem Praxisbezug. Mit viel Kreativität und Freiraum kann in Begleitung durch erfahrene Techniker etwas Eigenes geschaffen werden, d.h. ein innovativer Prüfstand, komplett eigenständig entwickelt und realisiert.

Die Bearbeitung soll in Kooperation mit der Johnson MedTech Germany GmbH erfolgen.

Arbeitsgruppe Simulation und Optimierung

Untersuchungen an Getrieben kleinen Moduls
Getriebe mit kleinem Modul (m < 0,3) sind essenziell für miniaturisierte Antriebe, wie sie in der Medizintechnik und weiteren feinwerktechnischen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Die geringe Baugröße macht ihre Entwicklung besonders anspruchsvoll, da Fertigungstoleranzen, Materialeigenschaften und Reibungseffekte einen überproportionalen Einfluss auf die Funktionalität haben. Diese Faktoren können die Zuverlässigkeit, das Geräuschverhalten und die Lebensdauer der Getriebe und damit die Qualität des gesamten Produkts erheblich beeinträchtigen. Sie erfordern daher eine detaillierte Analyse.
Ziel der Arbeit ist es, die genannten Einflussfaktoren systematisch zu untersuchen sowie dazu bestehendes Wissen zu systematisieren, um die Robustheit und Leistungsfähigkeit solcher Getriebe zu verbessern. Die Ergebnisse schaffen eine Grundlage für kurze und sichere Entwicklungszyklen der Produkte.
Die Arbeit bietet die Möglichkeit, die Faszination der Miniaturisierung hautnah zu sehen, zu fühlen und zu verstehen, z.B. an 4 stufigen Planetengetrieben mit 6 mm Außendurchmesser für Insulindosiersysteme!

Die Bearbeitung soll in Kooperation mit der Johnson MedTech Germany GmbH erfolgen.

Aufbau von Schrittmotormodellen für die Systemsimulation
In der Produktentwicklung ist die Modellierung von Motoren als Teil eines Gesamtsystems von zentraler Bedeutung, da realitätsnahe Simulationen Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten reduzieren können. Komplexe Modelle, die beispielsweise mit der Finite Elemente Methode aufgebaut werden, sind jedoch für den Einsatz in Systemsimulationen häufig zu rechenintensiv. Daher soll untersucht werden, wie sich derartige Modelle effizient vereinfa-chen und dennoch adäquat abbilden lassen. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Einsatz von Re-duced Order Models (ROM), um die Rechenlast signifikant zu verringern, ohne relevante phy-sikalische Eigenschaften zu vernachlässigen.
Ziel der Arbeit ist es, geeignete Modellierungsansätze systematisch zu recherchieren, deren Potenzial für die Systemsimulation zu bewerten und exemplarisch ein oder mehrere Schritt-motormodelle aufzubauen, um die praktische Anwendbarkeit zu analysieren.

Simulation von Formtoleranzen auf Basis der Finite-Elemente-Methode
Die Arbeit im CAD-System beginnt mit den Nennwertabmessungen von Bauteilen. Nachfolgend ergänzte Toleranzangaben mechanischer Konstruktionen basieren in der Praxis oft auf Erfahrungswissen oder Experimenten. Das Gebiet hat ein großes Potential für die Optimierung funktionaler und wirtschaftlicher Aspekte. Eine dafür noch notwendige Grundlage ist die Modellierung von fertigungsbedingten Formabweichungen. Die Methode der Finiten-Elemente (FEM) eignet sich grundsätzlich, um diese Änderungen abzubilden.
Ziel der Arbeit ist der Aufbau eines Modells, bei dem über parametrisierbare FE-Modelle systematische und zufällige Formabweichungen simulierbar sind. Die jeweiligen Auswirkungen auf die Funktion sollen leicht zu ermitteln sein, damit automatisiert eine große Anzahl Versuche durchlaufen werden kann.

Anwenden von ISO-Toleranzen in Polytop-basierten Simulationsverfahren
Für die Simulation und Optimierung von technischen Systemen müssen neben den Nennwerten auch die Toleranzen der beteiligten Parameter betrachtet werden. Bei konstruktiven Komponenten betrifft das neben deren Abmessungen auch Abweichungen der konkreten Form und Einbaulage. Die Analyse dieser Zusammenhänge ist mit herkömmlichen Handrechnungen kaum noch möglich. Deshalb ist das Interesse an computergestützten Modellierungsansätzen, sogenanntes Computer Aided Tolerancing (CAT), für solche 3D-Probleme groß.
Eine mögliche Lösung basiert auf dem Eingrenzen der Toleranzzonen durch Polytope, die die Freiheitsgrade der tolerierten Bereiche beschreiben. Diese Polytope bilden im Allgemeinen die Toleranzzone einer aus dem Normensystem bekannten Positionstoleranz ab. Weitere Toleranzarten lassen sich nicht direkt übernehmen. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Vereinbarkeit von ISO-Toleranzen und Polytopen systematisch untersucht und eine Methode zum Überführen entwickelt werden.

Arbeitsgruppe Medizinische Gerätetechnik

Derzeit sind alle Themen vergeben.

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