Dissertationen

Diese Dissertation stellt die Methodik und die Implementierung eines vollständig passiven RFID SoC mit Temperatursensor zur Reduzierung von Versorgungsrauschen für eine hochgenaue drahtlose Temperaturmessung vor. Die Analyse der modernen eigenständigen Temperatursensoren und der drahtlosen RFID Temperatursensoren zeigt eine Design Herausforderung, dass die RFID Sensoren aufgrund der RFID Kommunikation erheblich unter dem Versorgungsrauschen leiden. Um die Sensorgenauigkeit zu verbessern, ohne zu viele Kompromisse einzugehen, stellt diese Dissertation die folgenden wissenschaftlichen Beiträge vor. Zuerst wird ein Zeitdomain Niederspannungs Niederleistungs Temperatursensor vorgeschlagen, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, ohne einen hochkomplexen Sigma Delta ADC mit niedriger Abtastrate zu verwenden. Darüber hinaus wird die Methodik zur Analyse von Versorgungsrauschen für die Erzeugung, Verstärkung und Digitalisierung des Versorgungsrauschens entwickelt. Die Analyseergebnisse zeigen, dass das Versorgungsrauschen über ein breites Frequenzspektrum verteilt ist, während das Rauschen im Kommunikationsfrequenzband durch das Power Management Unit verstärkt wird. Für die Analyse der Rauschdigitalisierung erreicht dieser vorgeschlagene Temperatursensor die beste DC Versorgungsempfindlichkeit seiner Klasse, während er noch unter Wechselstromwelligkeit leidet. Daher wird das durch die RFID Kommunikation erzeugte Versorgungsrauschen die Sensorleistung erheblich beeinflussen. Die abschließende Optimierung auf Systemebene wird durch die Einführung eines seriellen Auslesekommandos erreicht, das das Versorgungsrauschen für die Sensorauslesung deutlich reduziert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass dieser vorgeschlagene RFID Temperatursensor die Genauigkeit von ±0.4 ˚C (3 sigma) von 0 ˚C bis 125 ˚C erreicht. Die ist höchste Genauigkeit mit dem größten Arbeitsbereich im Vergleich zu den derzeit berichteten modernen RFID Temperatursensoren. Der neue RFID Befehl verbessert die Auflösung dieses RFID Temperatursensors um den Faktor 16.

Das Verfahren der Lorentzkraftanemometrie ermöglicht eine kontaktlose Strömungsmessung von Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit und Geschwindigkeit. Aufgrund des elektromagnetischen Messprinzips ist die Messung an heißen, aggressiven oder opaken Fluiden möglich. Die Auflösung des Verfahrens lässt sich durch stärkere Magnetfeldquellen erhöhen. Diese Arbeit untersucht und bewertet das Potential von Supraleitern, welche eine höhere Energiedichte als die bisher verwendeten Permanentmagnete besitzen, für eine Verwendung als Magnetfeldquelle in der Lorentzkraftanemometrie. Dafür wird ein geeignetes Material recherchiert und ein notwendiges Kühlkonzept entwickelt. Für die ausführliche Untersuchung der physikalischen Eigenschaften der Supraleiter wurde der Hochtempertursupraleiter YBCO als Bulkmaterial identifiziert und eine Kühlinfrastruktur aufgebaut, welche Magnetisierungen von 5 T und Temperaturen von 20 K durch Flüssighelium erreicht. In den Supraleitern wurden reproduzierbar Magnetfelder eingefroren und Feldmessungen in Abhängigkeit von Temperatur, Durchmesser sowie Abstand bei einer paarweisen Anordnung durchgeführt. Der negative Effekt des Flusskriechens reduzierte sich durch Temperaturreduzierung nach dem Magnetisieren. Mit der gemessenen Flussdichteverteilung der Proben konnte ein numerisches Simulationsmodell entwickelt werden, welches zur Berechnung der zu erwartenden Lorentzkräfte verwendet werden kann. Eine erste Lorentzkraftmessung mit einem einfachen supraleitenden Magnetsystem an einem Kupferzylinder wurde erfolgreich durchgeführt und bestätigt das erarbeitete Modell. Mit dem Modell wurden Optimierungen für die Supraleiteranordnung berechnet und ergeben eine in Strömungsrichtung linear angeordnete Kette von Supraleiterpaaren. Dabei sollte der Abstand der Paare zueinander mindestens ihrem Durchmesser entsprechen. Des Weiteren wird gezeigt, dass für die durch die Magnetisierungsvorrichtung vorgegebenen Systemausdehnungen maximal drei Supraleiterpaare verwendet werden sollten. Größere Anzahlen resultieren in geringeren Lorentzkräften. Die Verwendung von Flüssigstickstoff bei 77 K als Kühlmittel reicht nicht aus um mit den verwendeten Supraleitern höhere Kräfte als das bisherige Permanentmagnetsystem zu erreichen. Erst eine Kühlung unter 50 K mit Flüssighelium oder Kryokühlern erzielt eine vier- bis 22-fache Erhöhungen der Lorentzkraft.

Forschung und Entwicklung von Wandlern basierend auf kavität- optomechanischen Elementen ist ein Forschungsgebiet von hohem Interesse. Sie kombiniert hohe Bandbreiten und Empfindlichkeit nahe dem Standardquantumlimit mit Kompaktheit, Robustheit, kleinen Abmessungen und dem Potential für eine wirtschaftliche Massenproduktion systemimmanent bei mikroelektromechanischen Systemen. Vollintegrierte Wandler erlauben demnach Bewegungsmessungen bis hin zum fundamentalen Quantenlimit. In dieser Arbeit werden Design, Herstellung und Charakterisierung eines vollintegrierten und glasfasergekoppelten Wandlers in einer Machbarkeitsstudie dargestellt. Das System kombiniert hohe Verschiebungsauflösungen 0.14 - 40 fm&hahog;Hz^(-1/2), optomechanische Detektion mit hoher Bandbreite und eine eingebaute thermische und elektrostatische Anregung. Die Herstellung erfolgt in einem doppelseitigen mikro- und nanotechnischen Fertigungsverfahren auf Waferbasis, in einer Kombination aus einem Elektronenstrahllithographieschritt, sechs Projektionslithographieschritten und drei Kontaktlithographie Schritten. Die Siliziumnitrid-Sonden können mittels eines elektrischen Signals, angelegt an den integrierten thermischen oder elektrostatischen Aktuator, angeregt werden. Sie sind optisch über das evanecente Feld mit einer optischen Kavität hoher Güte (10^5 - 2 x 10^6) gekoppelt. Die Bewegung der Sonde wird detektiert über eine Veränderung der Resonanzfrequenz der Kavität. Die eingebauten Aktuatoren ermöglichen die Einstellung des Abstandes zwischen Sonde und optischer Kavität, welche die Einstellung der Sensitivität ermöglicht. Eine Seite der Sonde steht über die Kante des Siliziumchips, um die Kopplung mit einer Vielzahl von Proben und physikalischen Systemen zu erlauben. Die modulare Bauweise des Wandlers schafft die Grundlage zur Parallelisierung der Sonden für die gleichzeitige Messung mehrerer Kräfte oder physikalischer Eigenschaften. Die Parallelisierung wird in dieser Arbeit am Beispiel eines 2x1 Array gezeigt, welche mit geringem Aufwand auf größere Arrayarchitekturen angepasst werden kann. Zur Demonstration der Funktion von Einzelsonden und Sondenarrays, wird die Sondenanwendung in der Rasterkraftmikroskopie präsentiert. Des Weiteren wird die Flexibilität der Wandlerbauweise an der Herstellung von Membrane- und Beschleunigungswandlern belegt. Das Verhalten aller hergestellten Wandler wird hinsichtlich der Bewegungsempfindlichkeit, Frequenzstabilität, und Einstellbarkeit der Auslesung analysiert.

Die steigende Nachfrage nach präzisen Positionierlösungen für hochautomatisiertes Fahren und sicherheitskritische Anwendungen führt zu der Verwendung von Array-basierten Satellitennavigationsempfängern, die aufgrund des verbesserten Diversity-Gewinns und der potentiellen Strahlformungsfähigkeit eine bessere Leistung aufweisen. Die Notwendigkeit, die Robustheit von Navigationsempfängern gegenüber Quellen von Signalstörungen, wie Mehrwegempfang, atmosphärische, sowie Jamming- und Spoofing, zu verbessern, verlangt, den Empfänger weiter auszubauen, um Polarisations- und Frequenz-Diversity auszunutzen. Das hieraus resultierende Design ist durch eine signifikante Zunahme der Hardware- und Softwarekomplexität gekennzeichnet. Diese Komplexität steigt noch mit dem Trend, den Navigationsempfänger zu miniaturisieren, um die Integration in Fahrzeugen oder mobilen Systemen zu erleichtern. Da die gegenseitige Verkopplung zwischen den Antennenelementen eines kompakten Antennen-Arrays steigt, verschlechtert sich deren Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit und damit die Systemrobustheit. In dieser Arbeit wird ein kompaktes, dualbandiges und dualpolarisiertes Antennenarray für einen Navigationsempfänger untersucht, schaltungstechnisch entworfen und aufgebaut, womit Array-, Frequenz-, und Polarisations-Diversity ermöglicht wird. Dies führt zu einer signifikant verbesserten Robustheit gegenüber den angesprochenen Störungen. Diese Arbeit umfasst das Design des dualbandigen und dualpolarisierten Patchantennenelements, das Design des kompakten Antennenarrays, das Studium der Kreuzpolarisationsquellen in Patchantennen, die Analyse des Einflusses der gegenseitigen Kopplung auf die Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit, und die Abschwächung beider Effekte durch eigenmode-basierten Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerken. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit die Integration des Antennensystems mit einem HF-Frontend zur Leistungsverstärkung, Filterung und Signalkonvertierung der Satellitensignale. Die Arbeit umfasst auch die Integration mit einem Array-basierten digitalen Empfänger, in dem neben der Datenerfassung, auch die Richtungsschätzung, das Beamforming und die Anti-Jamming-Algorithmen implementiert wurden. Die Machbarkeit sowohl der Array-Diversity als auch der Polarisations-Diversity wurde in Automotive-related Feldmessungen bestätigt, insbesondere für Elevationswinkel unter 40 bzw. 60 Grad, wo der Einfluss des Mehrwegempfangs ausreichend hohe Pegel erreicht. Die Messungen bestätigten die Robustheit des Empfängers gegenüber Stör- Nutzsignalverhältnissen von bis zu 85 dB und übertrafen damit mehrere "State-of-the-Art" Empfänger.

Für eine hohe Präzision in der Schätzung von Gehirnaktivität, ausgehend von Daten der Magnetoenzephalographie (MEG), ist eine sehr genaue Koregistrierung der Quellen und Sensoren notwendig. Üblicherweise werden hierbei die Quellorte der Gehirnaktivität bezüglich zu Koordinaten der Magnetresonanztomographie (MRI) angegeben. Die Sensor-zu-MRI Koregistrierungen sind der Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Qualität von Koregistrierungen wird bewertet und der Effekt ihrer Unsicherheiten auf Schätzungen der Gehirnaktivität beziehungsweise auf Quellschätzungen wird untersucht. Beide Themen, die Qualitätsbewertung und die Übertragung der Unsicherheiten auf Quellschätzungen werden separat behandelt. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen, den target registration error (TRE) als Qualitätskriterium für Sensor-zu-MRI Koregistrierungen zu verwenden. Der TRE kann den Effekt von Koregistrierungsunsicherheiten an beliebigen Punkten messen. Insgesamt wurden 5544 Datensätze mit Sensor-zu-Kopf und 128 Datensätze mit Kopf-zu-MRI Koregistrierungen aus einem Labor analysiert. Ein adaptiver Metropolis-Algorithmus wurde genutzt um optimale Koregistrierungen zu schätzen und um Stichproben ihrer Parameter (Rotation und Translation) zu ziehen. Es wurde ein TRE von 1.3 und 2.3 mm an der Kopfoberfläche gefunden. Weiter wurde eine mittlere absolute Differenz der Koregistrierungsparameter zwischen Metropolis-Algorithmus und dem etablierten iterative closest point-Algorithmus von (1.9 ± 1.5)˚ und (1.1 ± 0.9) mm gefunden. Ein Zweistichproben-t-Test zeigte eine signifikante Verbesserung in der Optimierung der Zielfunktion durch den Metropolis-Algorithmus. Die Übertragung der Koregistrierungsunsicherheit auf Quellschätzungen erfolgte unter Verwendung von speziellen Polynom-Entwicklungen des Beamformers und der standardized low resolution tomography (sLORETA). Dieser Ansatz wurde für auditorische, visuelle und somatosensorische Hirnaktivität mit verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen und Beschränkungen der Quellorientierung auf Datensätzen von 20 Probanden getestet. Durch die Verwendung von Polynom-Entwicklungen als effiziente Surrogate wurde die örtliche Verteilung des Quellschätzungs-Maximums für 50000 Koregistrierungen ermittelt. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass es möglich ist, Polynom-Entwicklungen mit hoher Genauigkeit auf MEG-Quellschätzungen anzuwenden. Polynom-Entwicklungen der Quellschätzungen reduzierten die Berechnungszeiten erheblich um den Faktor von etwa 10000 für Beamformer und 50000 für sLORETA im Vergleich zu den exakten Originalrechnungen.