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

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.

Pinzuordnung beim Entwurf heterogener Chiplet-Systeme
Die Elektronikbranche steht vor einem Paradigmenwechsel. Statt großer, teurer monolithischer Chips werden künftig modulare Chiplets genutzt, die flexibel zu neuen hochintegrierten Systemen kombiniert werden können. Für den Entwurf solcher Systeme sind Anpassungen des klassischen Chip-Entwurfsablaufs nötig. In dieser Arbeit sollen geeignete Algorithmen zur Pinzuordnung recherchiert und an den Entwurf von Chiplet-Systemen angepasst werden. Dabei ist unter anderem zu berücksichtigen, dass einige Anschlusspads bereits festgelegt sind (z.B. zur Berücksichtigung von Schnittstellen wie UCIe). Neben den algorithmischen Funktionen ist auf eine passende Schnittstelle (z.B. über Dateiformate) zu achten, um den Datenaustausch mit relevanten Entwurfsschritten zu ermöglichen. Bei reflektierter und nachvollziehbar dokumentierter Verwendung ist die Nutzung von Programmier-Agenten ausdrücklich empfohlen.

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

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.

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

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