Past projects

In people with chronic diseases, sensors are increasingly being used in or on the body to monitor the patient's state of health and detect deterioration at an early stage. Which data are collected in this context is initially a medical-technical question. However, with the increasing prevalence of mobile data collection in everyday life and the usability of this data by different interest groups, it is clear that this is also an ethical question about data sovereignty. Therefore, it will be investigated how guidelines for the design of implantable or wearable medical sensor systems can be developed so that diagnostic, technical and also ethical requirements are met. The question has two objectives: on the one hand, to derive concrete instructions for medical engineers; on the other hand, the methodological question of the extent to which the different requirements can be weighed up against each other at all: Since incommensurability of norms can already occur within a closed ethical approach (e.g., Principlism), this is to be expected even more strongly for the requirements from different disciplines.

Alternating-Contactthin-film transistors (ACTFTs) provide new degrees of freedom for deviceoptimization and deployment. This project specifically aims at providingcost-effective implementation of flexible RF circuits through the use of shortchannel ACTFTs with self-aligned contacts. With the Chair of Electron Devicesand the Institute of Electronics Engineering of the FAU Erlangen-Nuremberg, tworenowned institutes of semiconductor electronics and RF circuit technology workhand in hand on the integrated development of RF circuits and systems. Based onmetal oxide ACTFTs, key components of receivers and transmitters (e.g. lownoise amplifiers, oscillators, or mixers) are implemented on flexiblesubstrates. New perspectives for thin, flexible applications in industrial,consumer and textile / wearable electronics are presented.

Efficient Implementation of Massive MIMO Systems

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 the care of seriously ill people, the recording of breathing and heartbeat is an important tool for crisis detection. The recording via electrodes and cables that has been necessary up to now is prone to interference and restricts the self-determination and quality of life of those in need of care. The GUARDIAN project aims to enable the contactless and continuous recording of vital parameters.

Goal and strategy

In GUARDIAN, the contactless recording of vital parameters from a distance of several meters using a multimodal high-frequency sensor is being developed. For this purpose, a weak electromagnetic high-frequency signal is emitted and its change is analyzed. Due to the high distance resolution, movements causing respiration and heartbeat can be extracted from the measurement signal and analyzed. In the process, superimposed motion artifacts must be compensated for. GUARDIAN will thus make it possible to detect complaints such as pain and shortness of breath as well as health crises such as cardiac arrhythmias and cardiovascular arrest immediately and automatically. At the same time, the ethical, legal and social issues of the procedure as well as its effects on palliative and intensive care, people in need of care, care professionals and relatives will be intensively investigated.

Innovation and perspective

By using six-port interferometry as a new concept, all body movements can be recorded contactlessly from a distance of up to several meters with a previously unattainable distance resolution in the micrometer range, and respiration and heartbeat can be extracted. The consortium partners see great potential in the technology to be developed for monitoring the health and complaints of people in need of care in hospitals, but also in the outpatient sector in nursing homes and at home.

This project Mobile-BAT will investigate methods for automated tracking of migration routes of bats based on miniaturized sensing module for low power passive cellular network detection. This module will be mounted to the dorsum of the migrant Noctule Bats and will track the route over one total season with an accuracy which will enable to draw conclusions to migrant and rout selection strategies of the animal. For limiting as far as possible the mobility restrictions of the bat and disturbance of the natural behavior by the localization module, the sensor node has to exhibit a weight below 2 gram including battery, circuitry as well as antenna system and feature a suitable form factor. Due to the required operation time for covering one entire migration period of up to six months concepts have to be found for ensuring the localization from the limited energy resources. The data logger will be manually retrieved and the stored data evaluated after the return of the animal to the initial habitat. The locating of the respective individuals will be supported by automated direction finding and triangulation of a specific low power VHF telemetry signal transmitted by the sensor node after detection of the return to the initial habitat. From the logged cellular base station parameters, the trajectories of the routes chosen have to be extracted. For this goal topographic information will be added to propagation models for mobile phone signals enabling an automated calculation of an estimated signal constellation for any arbitrary coordinate. The stored sensor node data will be mapped to this database and will result in a highly accurate migration route trajectory. The benefit of the proposed methodology is that due to the passive system approach the sensor node is not required to loggin to a certain provider and is therefore able to logg all receivable base station signals in any frequency bands. This will lead to a large amount of analyzed base stations and therefore to calculated position with high accuracy.The project Mobile-BAT will enable fundamental insight into migration strategies of bats. Besides this concrete application it is expeted that the cellular based self-localization will lead to essential findings in the context of wireless sensor networks and internet of things applicable in nearly any country of the world.

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 state of the art thin-film-transistors (TFTs), both source and drain electrodes are placed at the same side or interface of the semiconductor layer. Positioning the two contacts on opposite interfaces of the semiconductor in an Alternating Contact TFT (ACTFT) enables new degrees of freedom for device design, optimization, and operation. The ability to enable short channel lengths is explored for application in radio frequency (RF) circuitry in this project.Two research groups of FAU Erlangen Nuremberg being experts in device technology (Chair of Electron Devices) and RF circuits engineering (Institute of Electronics Engineering) join forces to cover the integrated development of ACTFTs towards basic RF building blocks and systems based on flexible metal oxide TFTs. Studies on device physics, RF behavior, and novel circuit concepts will open perspectives for the use of large area, thin, and bendable TFT technologies in future industrial, consumer, and wearable electronics.

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 the "Smart Sensors B" research project, work is being done within the framework of the Medical Valley Leading Edge Cluster on a high-frequency-based sensor node for non-invasive measurement of blood parameters. The electrical properties undergo a characteristic change depending on the concentration. These changes can be detected by non-invasive means using integrated high-frequency circuits, whereby costs are getting lower and lower all the time. In future, this could enable portable, automatable long-term measurement of various blood parameters.