Technische Universität Dresden

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Arbeitsgruppe Entwurfsautomatisierung

Prüfung der Elektromigrationsrobustheit mit dem KLayout-DRC
Elektromigration (EM) ist ein wachsendes Zuverlässigkeitsproblem für Leiterbahnen in integrierten Schaltkreisen (ICs). Um dieser Herausforderung zu begegnen, gibt es neue Modelle, welche die Lebensdauer einer Leiterbahn präzise voraussagen. Dabei wird das bisherige Kriterium der Stromdichte um die geometrischen Eigenschaften der Leiterbahn (z.B. Länge) erweitert. Ein Konzept zur EM-Verifikation mit diesen neuen Modellen basiert auf stromabhängigen Design Rule Check (DRC)-Regeln.
Im Rahmen dieser Arbeit soll untersucht werden, wie derartige DRC-Regeln umgesetzt werden können. Dazu soll die frei verfügbare Software KLayout zum Einsatz kommen, welche über umfangreiche Möglichkeiten zur Implementierung von DRC-Regeln verfügt und zusätzlich um eigene Skripte erweitert werden kann. Es ist ein Konzept zur Umsetzung der Regeln zu entwickeln, welches dann anhand von einzelnen Fällen beispielhaft implementiert und verifiziert wird.

Verbesserung eines Versuchsstandes für Elektromigrationsuntersuchungen
Am IFTE wurde ein Versuchsstand entwickelt, mit dem integrierte Schaltkreise unter Strom- und Temperaturbelastung auf ihre Elektromigrationsrobustheit untersucht werden können. Dieser war jedoch seit einiger Zeit nicht im Einsatz, da Reparatur- und Verbesserungsbedarfe bestehen. Ziel dieser Studienarbeit ist die Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit des Versuchsstandes. Die erste Teilaufgabe ist ein Funktionstest des vorhandenen Aufbaus, um die zu ersetzenden Module zu ermitteln. Darauf aufbauend sollen geeignete Geräte (z.B. Messgeräte, Heizeinheit,…) für die Nachrüstung recherchiert werden. Abschließend ist der Aufbau in Betrieb zu nehmen und zu dokumentieren.

Musterbasierte Wegsuche in Graphen
Ein wichtiger Schritt beim Layoutentwurf digitaler integrierter Schaltungen (ICs) ist die Verdrahtung der zuvor platzierten Gatter. Dabei werden die zur Verfügung stehenden Verdrahtungsressourcen (also Tracks und Vias) in einen Graphen abgebildet, der aus Knoten und Kanten besteht. Mit Hilfe von Wegsuche-Algorithmen, wie z. B. dem Dijkstra-Algorithmus, können dann kürzeste Wege in diesem Graphen gesucht werden, um die Netze nacheinander zu verdrahten.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Verdrahtung mittels kürzester Wege nicht wünschenswert ist. Ein Beispiel ist die elektromigrationsrobuste Verdrahtung, bei der kritische Netze nur mittels vorgegebener Strukturen verdrahtet werden sollen, die vorher durch Simulation als robust eingestuft wurden.
In dieser Arbeit soll zunächst der Stand der Technik bei Wegsuche-Algorithmen recherchiert werden. Insbesondere vergleichbar angepasste Algorithmen sind hier von Interesse. Danach soll der Dijkstra-Algorithmus zur Wegsuche in Graphen so erweitert werden, dass nur Strukturen bzw. Teilgraphen aus einer vorgegebenen Liste verwendet werden.

Äquivalenzanalyse von Bildinhalten mithilfe maschineller Lernverfahren
Das Ziel dieser Aufgabe ist die Entwicklung eines Softwarewerkzeugs (Python) zur Analyse von Konstruktionszeichnungen oder Schaltplänen (Bilddaten). Mehrerer hundert Dokumente sollen in angemessener Zeit (wenige Stunden) auf wiederkehrende Strukturen hin geprüft werden, um lohnenswerte Kandidaten für eine potentielle Optimierung zu identifizieren (z.B. Teilschaltungen). Die Umsetzung umfasst die Zerlegung der Bilddaten in konfigurierbare Merkmale und abstrahierende Merkmalskategorien sowie einer anschließenden statistischen Auswertung und grafischen Darstellung der Ergebnisse. Die Lösung ist anhand von Beispieldatensätzen zu evaluieren.

FEM-Simulation von HF-Wellenleitern mit freier Software
Um die Zuverlässigkeit und Störungssicherheit hochfrequenter Baugruppen zu beurteilen, können diese vor der Herstellung simuliert werden. Stand der Technik ist dabei unter anderem die Simulation per FEM (Finite-Elemente-Methode). Dabei werden die Geometrien in ein Programm importiert und vernetzt, sodass sich ein aus vielen kleinen Teilvolumen bestehendes Modell ergibt. Im Anschluss kann dieses Modell für gegebene Randbedingungen simuliert und die Ergebnisse berechnet und dargestellt werden.
Auf dem Markt erhältliche Software, wie z.B. Ansys HFSS oder Maxwell, unterliegt meist einer kommerziellen Lizenz, die zu erhöhten Kosten führt und eine Integration in eigene Umgebungen schwierig gestaltet. Ziel der Arbeit ist es daher, einen Workflow zu entwickeln, der komplett auf freier Software basiert. Dazu ist ein Überblick über Open Source-Software zu erarbeiten, die für eine HF-Analyse beliebiger Geometrien geeignet ist. Danach sind diese Simulationswerkzeuge auf ihre Eignung zu testen. Anhand der Ergebnisse ist ein Vorgehen für die Verwendung im konkreten Anwendungsfall zu entwickeln.

Modellierung und Transformation von flexiblen Leiterplatten im dreidimensionalen Raum
Flexible Leiterplatten ermöglichen die Fertigung sehr kompakter Baugruppen und sind damit aus der heutigen Baugruppenentwicklung nicht mehr wegzudenken. Ein Problem ist allerdings die vorherige Simulation, vor allem im Hinblick auf die dreidimensionale Formgebung (Verbiegung) und die als Folge auftretenden Schädigungen an der Leiterplatte. Damit die Leiterplatten im verformten Zustand simuliert werden können, ist vorher eine entsprechende Modellierung und Berechnung der Verformung nötig. Ziel der Aufgabe ist daher eine Recherche von Darstellungsmöglichkeiten (z.B. mittels NURBS) sowie die anschließende Transformation von flexiblen Leiterplatten und darauf befindlicher Leiterzüge. Gegeben sind dabei Biegelinien und -radien, anhand derer die Leiterplatten in eine gewünschte Form gebogen werden sollen. Die so gebogene Geometrie soll im Anschluss für eine Simulation der Leiterplatte im Hinblick auf Biegebeanspruchung beim Verformen herangezogen werden.

Arbeitsgruppe Entwurf elektronischer Systeme

Synchronisation von Sensorknoten im TTN-Netzwerk
Das TTN-Netzwerk gestattet die Übertragung geringer Datenmengen von einem Sensor-knoten in ein öffentlich verfügbares langreichweitiges Netzwerk. Aus diesem lassen sich dann die gesendeten Daten über das Internet abholen. Problematisch ist, dass die Übertragung nicht sicher gestellt ist und daher Datenpakete verloren gehen können. Um trotzdem eine eindeutige Zuordnung der Daten zu einem Messzeitpunkt zu erreichen, soll ein zur Messung gehöriger Zeitstempel mitgesendet werden. Dies erfordert jedoch das Vorhandensein von Datum und Uhrzeit im Sensorknoten. Da die am IFTE entwickelten Sensorknoten durch kleine Solarzellen versorgt werden, ist der Energiebedarf einer solchen Implementierung besonders relevant.
In der Arbeit ist zu evaluieren, welchen Energiebedarf das Implementieren der Echtzeituhr im Sensorknoten hat, wie die Uhrzeit auf dem Sensorknoten synchronisiert werden kann und wie sich die hierfür notwendige Energiemenge minimieren lässt.
Die Arbeit umfasst folgende Teilaufgaben:

• Einarbeiten in den Stand der Technik,
• Implementieren der Echtzeituhrkomponente auf dem Mikrocontroller (STM32, C),
• Entwickeln einer Möglichkeit zur energiearmen Synchronisation der Zeit über den Rückkanal,
• Optimierung der Gesamtenergiebilanz,
• Messung der Stromaufnahme des Sensorknotens in den benötigten Betriebsarten,
• Dokumentation der Ergebnisse.

Arbeitsgruppe Feinwerktechnische Konstruktionen und Systeme

Entwurf einer Baugruppe zum Verbinden eines neuartigen adaptiven Rollstuhlsitzes mit verschiedenen Untergestellen
Im Rahmen eines Forschungsprojektes in Kooperation mit einem Unternehmen aus dem Bereich der Orthopädietechnik wird ein neuartiger Rollstuhlsitz für Kinder mit starken Körper-deformationen entwickelt. Durch individuelle Anpassbarkeit des Sitzes soll die Lebensqualität der Patienten deutlich erhöht werden. Trotz seiner hohen Adaptivität muss der Sitz auf verschiedene – am Markt verfügbare – Untergestelle montierbar sein. Ziel der Studienarbeit ist es, eine Baugruppe zu entwickeln, die den Sitz über einen Adapter mit diesen Untergestellen verbinden kann. Dabei sind Kollisionen zwischen Sitz und Untergestell für sämtliche Sitzeinstellungen zu vermeiden und ein Versagen der Konstruktion durch Festigkeitsrechnungen ist auszuschließen. Außerdem sind Anforderungen durch gesetzliche Vorgaben zu berücksichtigen.

Arbeitsgruppe Simulation und Optimierung

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.

Aufbau und Analyse von Kontaktgraphen in mechanischen Baugruppen
Im technischen Entwicklungsprozess können die Einflüsse von Abweichungen bei der Produktion mechanischer Bauteile bereits simulativ untersucht werden. Sowohl für reine Abmessungen als auch für Form- und Lagebezüge ist es dabei relevant die Interaktion der Bauteile untereinander zu beschreiben. Die übliche Methode dazu ist der Aufbau eines Kontaktgraphen, der alle Verbindungen zwischen Komponenten einer Baugruppe beschreibt.
Ziel der Arbeit soll eine Methode zum möglichst automatisierten Aufbau eines Kontaktgraphen entwickelt werden. Ausgangspunkt ist dabei ein 3D-CAD-Modell. Für die Definition er Kontaktarten können zusätzlich auch Nutzereingaben abgefragt werden. Der Kontaktgraph sollte am Ende mit einer gängigen Simulationsmethode kompatibel sein.

Ableiten funktionsrelevanter Maße aus 3D-CAD-Modellen
Die Funktionsfähigkeit mechanischer Baugruppen lässt sich auf verschiedene Arten simulativ untersuchen. Voraussetzung dafür ist meist eine genaue Kenntnis des Entwurfes und ein fortgeschrittenes Verständnis der genutzten Simulationsmethoden. Als einer der ersten Schritte muss immer das Ziel der Untersuchung definiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es den Schritt der Zieldefinition für die Simulation von Form- und Lagetoleranzen zu vereinfachen. Dazu müssen die für die gewählte Mechanik funktional relevanten Abmessungen (engl. functional condition, FC) definiert werden. Es ist mit Hilfe einer um-fassenden Literaturrecherche ein System zu entwickeln, das diese Informationen anhand des vorhanden Geometriemodells mit möglichst wenigen und einfachen Nutzereingaben ableitet.

Übertragen und Analysieren von ISO-GPS-Toleranzen mittels STEP-Daten
Für den Austausch von Produktdaten wurde im Bereich der 3D-CAD-Modelle das STEP-Format (standard for the exchange of product model data) entwickelt. Der Dateityp ist in ISO 10303 standardisiert und bildet Daten aus verschiedenen CAD-Systemen einheitlich ab. Mit dem Applikationsprotokoll AP 242 werden unter anderem auch Anmerkungen zu Form- und Lagertoleranzen im Modell unterstützt. Das Format bildet damit eine einheitliche Grundlage zum Aufbau eines vom CAD-Programm unabhängigen Toleranzanalysetools.
Im Rahmen dieser Arbeit soll der aktuelle Stand des STEP-Standards analysiert und ein Überblick über die von CAD-Herstellern unterstützten Funktionen geschaffen werden. Als Grundlage für ein Toleranzanalysesystem ist eine Software zu entwickeln, mit der standardkonforme STEP-Daten geöffnet und für die Analyse notwendige Informationen ergänzt werden können. Für den Funktionsnachweis sind sowohl vorhandene Toleranzsolver als auch eigene Implementierungen bekannter Modelle nutzbar.

Arbeitsgruppe Elektromechanischer Entwurf

Elektrodynamischer Kurzhubantrieb
Gegenwärtig werden am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design elektro-dynamische Direktantriebe für automatisierungstechnische Anwendungen entwickelt. Ausgehend von einem gegebenen Magnetkreis , Führungs und Aufbaukonzept soll ein derartiger translatorischer Antrieb mit einem Hub von 15 mm entwickelt, aufgebaut und getestet werden. Dazu ist nach einer Einarbeitung der Magnetkreis mittels magnetischen Netzwerkmodells und FEM zu dimensionieren, die Läuferführung auszulegen, der Antrieb im Detail zu konstruieren sowie nach Fertigung und Inbetriebnahme zu testen.
Abhängig vom Arbeitsumfang (Studien bzw. Diplomarbeit) sowie den Vorkenntnissen und Neigungen des Bearbeiters ist ggf. eine Fokussierung auf ausgewählte Teilaufgaben möglich. Bei Interesse können ähnliche, bereits realisierte Antriebsmodule im Labor besichtigt werden.

Arbeitsgruppe Medizinische Gerätetechnik

Konstruktion einer manuellen Injektionsvorrichtung für einen gedruckten Glukosesensor
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Physik der TU Dresden und dem Industriepartner diafyt Medtech wird ein Biopatch zur Messung von Bioindikatoren, z.B. Glukose, für die Diabetestherapie entwickelt. Als Sensoren werden organische elektrochemische Transistoren (OECT) verwendet. Diese sollen zusammen mit der Elektronik auf eine biokompatiblen Folie gedruckt werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist nun, eine wiederverwendbare Injektionsvorrichtung für den flexiblen Foliensensor zu entwickeln. Als Basis dient eine kommerzielle, wiederverwendbare Vorrichtung, die an die spezifischen Anforderungen des gedruckten Sensors angepasst werden soll.
Folgende Teilaufgaben sind zu lösen:

• Analyse der vorhandenen kommerziellen Injektionsvorrichtung und des gedruckten Sensors
• Entwicklung und Bewertung von Lösungsvarianten
• Fertigung, Inbetriebnahhme und Funktionstest einer Lösung
• Durchführung von Messungen an Vergleichsobjekten zur Bewertung der Lösung
• Auswertung und Optimierung der Lösung

Biopatch zur Glukosemessung mit einem organischen, elektrochemischen Transistor (OECT)
Das IFTE und das Institut für Angewandte Physik der TU Dresden entwickeln in Zusammenarbeit mit diafyt MedTech einen neuartigen Sensor zur Messung von Glukose im menschlichen Stoffwechsel und zur Behandlung von Diabetes. Für das Sensorelement wird ein druckbarer organischer elektrochemischer Transistor (OECT) verwendet. Eine Messschaltung soll den OECT optimal betreiben und Werte an den Ultra Low Power Mikrocontroller RF430FRL152H übergeben.
Das Ziel der Arbeit ist es, bereits vorhandene Lösungsvarianten der Schaltung zu vergleichen und zu optimieren.
Folgende Teilaufgaben sind zu lösen:

• Elektronikentwurf zur Integration des Sensorelements im Ultra Low Power Design
• Platinenlayout und Schaltungsaufbau, Test von Prototypen zusammen mit dem Sensorelement
• Optimierung der Schaltungsparameter und Abgleich mit den Anforderungen
• Testprogramm zur Messung und Anschluss an den Ultra Low Power ADC des Mikrocontroller RF430FRL152H

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