Arbeitsgruppe Bildverarbeitung, Opto-, Mikroelektronik

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Arbeitsgruppe Bildverarbeitung, Opto- und Mikroelektronik

Dr. Ubbo Ricklefs, Dr. Werner Bonath, Dr. Alexander Klös
Allgemeine Randbedingungen
Forschungstätigkeiten an der Technischen Hochschule Mittelhessen haben einen direkten Bezug zur Lehre. Aktuelles Thema ist derzeit die Nanotechnologie. Bei der Umsetzung von Ergebnissen der Nanotechnologieforschung in Produkte gibt es noch Defizite. Durch ihre engen Kontakte zur Industrie, können die Hochschulen bei dieser Umsetzung eine wichtige Rolle spielen. Deshalb hat die TH-Mittelhessen die Nanotechnologie in den Katalog ihrer Zielvereinbarungen aufgenommen. Die TH-Mittelhessen versucht, unterstützt durch das NanoNetzwerkHessen, die Akzeptanz für diese Technologien zu erhöhen. Der Fachbereich Elektro- und Informationstechnik hofft, dass er im Bereich der Nanoelektronik mit dem neuen Studienprogramm im Bachelor-Studiengang „Mikroelektronik- und Design“ einen sinnvollen Beitrag liefern kann. So sollen die Studenten in einer neu konzipierten Veranstaltung, die von dieser Arbeitsgruppe betreut wird, an das Thema der Nanoelektronik herangeführt werden.
Im Fachbereich Elektro- und Informationstechnik der TH-Mittelhessen werden fast alle Diplomarbeiten in der Industrie bzw. in Kooperation mit der Industrie durchgeführt. Dabei ist die Betreuung der Studenten allein nicht ausreichend. Häufig ist eine eingehende Beratung zu Aufgaben der Entwicklung erwünscht und notwendig. Insbesondere kleinere Unternehmen (KMUs) verfügen nur über knappe Resourcen und sind oftmals auf eine externe Unterstützung angewiesen. 
Ein weiterer enger Kontakt zur Industrie entwickelt sich zunehmend positiv über das Duale Studium „Studium Plus“ in Wetzlar. In diesem Studienmodell sind die Studenten während der gesamten Ausbildung eng an die Firmen gebunden, in denen ein großer Teil der Ausbildung stattfindet. Die Verbindung von Industrie und Hochschule ist hier außerordentlich eng.
Weiterhin ist die THM unter anderem über diese Arbeitsgruppe in der Optence vertreten.  Die Mitglieder der Optence stammen aus der optischen Industrie und den Hochschulen in Hessen und Rheinland-Pfalz. Die Optence ist zur Vermittlung von Kooperationen hervorragend geeignet.
Aus diesen intensiven Industriekontakten heraus entstehen Entwicklungsprojekte, die in der Regel gemeinsam mit den KMUs durchgeführt werden. In unserem Labor gelang es dadurch, wie auch durch Spenden aus der Industrie, die Ausstattung auf einem vertretbaren Stand zu halten.

Kooperationen
Mit dem INA der Universität Kassel und der Firma Corrsys 3D Sensors AG konnten Kooperationsverträge geschlossen werden.

Praktika
Die Arbeitsgruppe bietet Praktika zu den Themen Bildverarbeitung, Optische Nachrichtentechnik, Schaltungsbeschreibung, Schaltungssimulation und Schaltungsdesign an. Einige Praktika können im engen Kontakt zu aktuellen Projekten durchgeführt werden.
In der Bildverarbeitung liegt die Entwicklung einfacher Algorithmen im Vordergrund.
Ähnlich können in der optischen Nachrichtentechnik die Eigenschaften faseroptischer Komponenten kennengelernt werden.
Im Bereich der Schaltungssimulation werden elektronische Schaltungen auf der Basis von Spice-Modellen simuliert. Darauf aufbauend bekommen die Studenten eine Einführung in die CMOS-ASIC-Entwicklung. Simulationen einzelner mikroelektronischer Bauelemente auf Basis der Finite-Elemente-Methode fördern einen Einblick in die Halbleiterphysik und die Technologie integrierter Schaltkreise.
Im Rahmen von Diplom- und Studienarbeiten können die Studenten diese Kenntnisse vertiefen.

Integrierte Photodioden auf CMOS-Testchip

Aktuelle Projekte
Derzeit steht ein Projekt zur Entwicklung eines integrierten optoelektronischen Schaltkreises, eines sogenannten analogen mixed-signal CMOS-ASICS, der als „full custom“ Lösung in 0.5 µm CMOS-Technologie entwickelt wird, im Vordergrund der Tätigkeiten. In der Vergangenheit wurden bereits mehrere Projekte für rein elektronische ASICS erfolgreich abgeschlossen. Im letzten größeren Projekt, das vom HMWK gefördert wurde, konnte gezeigt werden, dass auch Photodioden mit ausreichend guten Eigenschaften im Standard-CMOS-Prozess integriert werden können. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte die Firma Corrsys 3d Sensors AG von diesem Projekt überzeugt werden. Seit Dezember 2005 bis Dezember 2007 wird es von der HessenAgentur gefördert. Bis zu diesem Zeitpunkt wird das Projekt nicht abgeschlossen sein, aber es sollten erste Funktionsmuster vorliegen. Derzeit werden zusammen mit den Partnern die Spezifikationen erarbeitet und Schaltungsentwürfe getestet. Im Juni sollen die ersten Teststrukturen in Auftrag gegeben werden.

Im Rahmen des NanoNetzwerkHessen sind über das HMWK für 2007/08 Fördergelder für den Gerätebedarf in Aussicht gestellt worden. Mit diesen Mitteln werden wir, einen wichtigen Schritt in Richtung Nanoelektronik gehen zu können. Dabei ist die Integration eines Neuronalen Netzes auf einem Chip angedacht. In Simulationen konnten bereits erfolgreich typische Signale von Nervenzellen nachgebildet werden. Die Nanoelektronik stellt jetzt erstmals die Umsetzung eines bereits recht komplexen Netzes mit ca 200 Neuronen auf einem Chip in Aussicht.

Während man bislang davon ausging, dass sich die Eigenschaften der Schaltkreise mit kleiner werdenden Strukturen skalieren und damit vorhersehbar waren, ändern sich die Eigenschaften bei Strukturen unter 100 nm grundsätzlich. Die bisherigen Modelle zur Schaltungssimulation beschreiben das reale Verhalten der Bauelemente nicht mehr. Quantisierungseffekte und zusätzliche Einflüsse auf den Ladungstransport müssen berücksichtigt werden. Mit dem Ziel der Entwicklung neuer Modelle für zukünftige sub-45nm Bauelementstrukturen wie beispielsweise Double-Gate-FETs oder FinFETs wird im Rahmen des „EU Network of Excellence SINANO” gemeinsam mit einer spanischen Universität ein Promotionsverfahren hierzu durchgeführt.

FEM-Simulation eines CMOS-FETs

Vor einigen Jahren wurden gemeinsam mit Prof. Dr. Ströbel von der FH Darmstadt und der Firma Philips APM spezielle ESPI-Messverfahren zur Untersuchung schwingender Oberflächen entwickelt. Diese Messverfahren lassen Untersuchungen dynamischer Vorgänge im Sub-µ-Bereich zu. Derzeit laufen Bestrebungen, diese Entwicklungen an Industriepartner weiter zu geben und gemeinsam mit ihnen weiter zu entwickeln. Die Messverfahren konnten erfolgreich zu Patenten angemeldet werden. Derzeit werden diese Messstände für Auftragsarbeiten eingesetzt.

CD-Chassis	Verformung bei 430 Hz

Aktuell werden zwei weitere Projekte im Bereich der Bildverarbeitung bearbeitet. Im einen werden Fluoreszenseigenschaften untersucht und im anderen werden feinste Strukturen in Folien analysiert.

Auf dem Fachgebiet der Mikroelektronik werden seit 1993 anwendungsorientierte IC-Entwicklungsprojekte auf dem Gebiet hochintegrierter Sensor-Auswerteelektronik durchgeführt. So können zwischen ein bis drei IC-Fertigungsläufe/Jahr realisieren werden. Bisherige technische Schwerpunkte betrafen die Auswertung magnetoresistiver Sensoren. Weitere kleinere IC-Entwicklungsprojekte fanden auf den Gebieten der Modellbauelektronik (Taktgenerator und Fernsteuerungserweiterung) und Medizinelektronik (SC-Filter für Ultraschallanwendungen) statt. Ein weiteres, neu hinzugekommenes Arbeitsgebiet liegt im Bereich der Mixed-Signal-Verhaltensbeschreibung und Systemsimulation. Insbesondere wurden die folgenden Projekte durchgeführt:

MICOLA-Projekt: Im Rahmen des MICOLA-Projektes entstand in einer vollständig analogfähigen 2.4mm-CMOS-Technologie ein Längenmesssystem, bestehend aus einem Mixed- Signal-ASIC und einem konventionellen 2-Phasen-MR-Sensorelement. Bei dieser Entwicklung wurde der gesamte Analogteil auf Transistorebene entwickelt, da die verwendete ASIC-Technologie keine 3V-Low-Power-Funktionszellen mit den erforderlichen Analogeigenschaften bereitstellen konnte. Für den Digitalteil ergaben umfangreiche systematische Architekturstudien eine in Bezug auf die Stromaufnahme optimierte Architektur, welche durch Syntheseverfahren on chip realisiert wurde. Als Ergebnis entstand ein fertiger Systemprototyp, bestehend aus 3V-ASIC, Sensor und Zusatzelektronik.

LIMP-Projekt: Ein zweites Längenmesssystem (LIMP) wurde entwickelt, welches aus einem preiswerten Mehrphasensensor und einem Mixed-Signal-ASIC in Submikrometer-CMOS-Technologie (0.7mm) besteht. Auch hier lag der Entwicklungsschwerpunkt wieder auf dem Low-Power-Analogteil (offsetkompensiertes Komparatorfeld in SC-Technik), der eigentlichen Sensorschnittstelle, während der Digitalteil vollständig aus einer VHDL-Verhaltenspezifikation synthetisiert wurde. Das System wurde als Prototyp (diskreter Aufbau) in der Industrie parallel zur ASIC-Entwicklung erfolgreich erprobt; auch hier liegt eine fertiges Funktionsmuster, bestehend aus Sensor, ASIC und Display, vor.

Integrierte 1V-Analogelektronik: Es werden integrierte Analogschaltungen zum Betrieb bei 1V Versorgungsspannungen entwickelt, welche aus den Systemanforderungen hochentwickelter neuerer magnetoresistiver Sensoren entstehen.

Zitrone als Stromquelle für integrierten Sensor

STINT-ASIC: In einer Industriekooperation wurde ein neues Interpolationsverfahren für Drehwinkelmesssysteme als ASIC integriert, wobei auch hier der Schwerpunkt auf der Analogtechnik in Submikrometer-CMOS-Technologie lag.
PREDICTMOS: Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Beiträge zur Modellierung von Sub-µ-MOSFETs konzentrieren sich auf die analytische Lösung der zweidimensionalen Poisson-Gleichung im Kanalbereich mit Hilfe der konformen Abbildungstechnik. Es konnten Modelle für die Schwellspannungsverschiebung und das Oberflächenpotential abgeleitet werden. Die entwickelten Modellgleichungen für Standard-Bulk-MOSFETs bis hinab zu einer Kanallänge von 100nm bieten einen maximalen Strukturbezug und verwenden ausschließlich physikalisch motivierte Parameter und Geometriegrößen. Das Modellpaket wurde in den Netzwerksimulator ELDO implementiert. Damit kann das Modell PREDICTMOS auch in umfangreichen Schaltungen entsprechend der SPICE-Syntax verwendet werden.

Schwerpunkte vorangegangener FuE-Arbeiten im Fachgebiet der Optoelektronik waren die optoelektronische Sensorik. Hierzu wurden verschiedene Projekte teils im Auftrag, teils in Kooperation mit Firmen durchgeführt. So wurde ein Messstand zur Vermessung Faseroptischer Komponenten entwickelt, mit dem im IR-Bereich die Strahlungsverteilung faseroptischer Komponenten vermessen werden kann. Weiterhin wurden ein wechselbarer optischer Taster zur Vermessung technischer Oberflächen inclusive steuerbarer Beleuchtung entwickelt, mehrere Algorithmen zur Bildverarbeitung erfolgreich umgesetzt (Vermessung von Kanten, einfache Objekterkennung). Unterstützung konnte dabei insbesondere bei der optoelektronischen Auslegung wie auch bei der späteren Umsetzung geleistet werden.

Ausblick
Projekte können nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn qualifizierte Mitarbeiter zur Verfügung stehen. Diese können bislang nur über Projekte finanziert werden. Ist ein Projektantrag erfolgreich, so werden in der Regel nur halbe Stellen gefördert. Bei der derzeitigen guten Arbeitsmarktsituation im Bereich der Elektrotechnik ist die Mitarbeit an einem interessanten Projekt unter diesen Bedingungen für Absolventen nicht ausreichend motivierend. Als zusätzlichen Anreiz kann man den möglichen Masterabschluss in Aussicht stellen.

Im Rahmen des CMOS-ASIC-Projektes ist es uns erstmals gelungen, gemeinsam mit der Universität Kassel eine Promotion zu betreuen. Unabhängig davon, ob die Promotion später erfolgreich abgeschlossen werden kann, ist die gemeinsame Durchführung des Verfahrens bereits ein Erfolg. Bislang war uns dies nur in Kooperationen mit ausländischen Universitäten möglich.