Systemic chemotherapy remains the backbone of many cancer treatments. Due to its untargeted nature and the severe side effects it can cause, numerous nanomedicine approaches have been developed to overcome these issues. However, targeted delivery of therapeutics remains challenging. Engineering microrobots is increasingly receiving attention in this regard. Their functionalities, particularly their motility, allow microrobots to penetrate tissues and reach cancers more efficiently. Here, we highlight how different microrobots, ranging from tailor-made motile bacteria and tiny bubble-propelled microengines to hybrid spermbots, can be engineered to integrate sophisticated features optimised for precision-targeting of a wide range of cancers. Towards this, we highlight the importance of integrating clinicians, the public and cancer patients early on in the development of these novel technologies.

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Sprachtechnologie ist eine große und wachsende Industrie, die das Leben von technologieinteressierten Nutzern auf zahlreichen Wegen bereichert. Viele potenzielle Nutzer werden jedoch ausgeschlossen: Nämlich alle Sprecher, die nur schwer oder sogar gar nicht Sprache produzieren können. Silent-Speech Interfaces bieten einen Weg, mit Maschinen durch ein bequemes sprachgesteuertes Interface zu kommunizieren ohne dafür akustische Sprache zu benötigen. Sie können außerdem prinzipiell eine Ersatzstimme stellen, indem sie die intendierten Äußerungen, die der Nutzer nur still artikuliert, künstlich synthetisieren. Diese Dissertation stellt ein neues Silent-Speech Interface vor, das auf einem neu entwickelten Messsystem namens Elektro-Optischer Stomatografie und einem neuartigen parametrischen Vokaltraktmodell basiert, das die Echtzeitsynthese von Sprache basierend auf den gemessenen Daten ermöglicht. Mit der Hardware wurden Studien zur Einzelworterkennung durchgeführt, die den Stand der Technik in der intra- und inter-individuellen Genauigkeit erreichten und übertrafen. Darüber hinaus wurde eine Studie abgeschlossen, in der die Hardware zur Steuerung des Vokaltraktmodells in einer direkten Artikulation-zu-Sprache-Synthese verwendet wurde. Während die Verständlichkeit der Synthese von Vokalen sehr hoch eingeschätzt wurde, ist die Verständlichkeit von Konsonanten und kontinuierlicher Sprache sehr schlecht. Vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung des Systems werden im Ausblick diskutiert.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 191 / Speech technology is a major and growing industry that enriches the lives of technologically-minded people in a number of ways. Many potential users are, however, excluded: Namely, all speakers who cannot easily or even at all produce speech. Silent-Speech Interfaces offer a way to communicate with a machine by a convenient speech recognition interface without the need for acoustic speech. They also can potentially provide a full replacement voice by synthesizing the intended utterances that are only silently articulated by the user. To that end, the speech movements need to be captured and mapped to either text or acoustic speech. This dissertation proposes a new Silent-Speech Interface based on a newly developed measurement technology called Electro-Optical Stomatography and a novel parametric vocal tract model to facilitate real-time speech synthesis based on the measured data. The hardware was used to conduct command word recognition studies reaching state-of-the-art intra- and inter-individual performance. Furthermore, a study on using the hardware to control the vocal tract model in a direct articulation-to-speech synthesis loop was also completed. While the intelligibility of synthesized vowels was high, the intelligibility of consonants and connected speech was quite poor. Promising ways to improve the system are discussed in the outlook.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 191

Massenanpassung, kleine Losgrößen, hohe Variabilität der Produkttypen und ein sich während des Lebenszyklus einer industriellen Anlage änderndes Produktportfolio sind aktuelle Trends der Industrie. Durch eine zunehmende Entkopplung der Entwicklung von Software- und Hardwarekomponenten im industriellen Kontext, entstehen immer häufiger Kompatibilitätsprobleme innerhalb von industriellen Steuerungen. In dieser Arbeit wird mittels Literaturrecherche und angewandter Forschung ein Strategiekonzept zur Kompatibilitätsprüfung hergeleitet und diskutiert. Dieses vierphasige Konzept ermittelt Inkompatibilitäten zwischen Software- und Hardwarekomponenten im Umfeld von industriellen Steuerungen und ermöglicht Testingenieuren das frühzeitige Erkennen von Problemen. Durch eine automatische Durchführung der Kompatibilitätsprüfung auf einem externen Industrie PC kann die Kompatibilitätsprüfung sowohl beim Aufspielen neuer Software auf die industrielle Steuerung als auch beim Neustart der Steuerung ablaufen. Somit werden Änderungen an den Komponenten stetig erkannt und Inkompatibilitäten vermieden. Weiterhin kann durch die frühzeitige Erkennung sichergestellt werden, dass eine Anlage dauerhaft lauffähig bleibt. Anhand einer Diskussion werden Mittel festgestellt, um die Robustheit und Anwendbarkeit des vorgestellten Konzeptes zusätzlich zu festigen.:1 Motivation 1 1.1 Aufgabenanalyse 3 1.1.1 Forschungsfragen und Teilaufgaben 3 1.1.2 Aufgabenkomplexe 4 1.1.3 Eingrenzung der Aufgabenstellung 5 1.1.4 Ziel der Arbeit 6 1.1.5 Festsetzung von Formulierungen 6 2 Einführung und Stand der Technik 7 2.1 VIBN von industriellen Anlagen 7 2.1.1 Teststrategien aus der VIBN 9 2.1.1.1 Model-in-the-Loop 9 2.1.1.2 Software-in-the-Loop 9 2.1.1.3 Hardware-in-the-Loop 10 2.1.1.4 Konklusion und Forschungsbestrebungen 11 2.2 CS in industriellen Anlagen 12 2.2.1 Sicherheitsziel 13 2.2.2 Teststrategien aus der CS 13 2.2.2.1 Signaturbasierte Erkennung 14 2.2.2.2 Anomaliebasierte Erkennung 14 2.2.2.3 Konklusion und Forschungsbestrebungen 16 2.3 Interoperabilität als Kompatibilitätsmaß 16 2.4 Testautomatisierung und Test Case Generierung 17 2.5 Allgemeine Softwareteststrategien 17 2.5.1 Modellbasiertes Testen 17 2.5.2 Funktionale Tests 18 2.6 Allgemeine Hardware Teststrategien 19 2.6.1 Modellbasiertes Testen 19 2.6.2 Manuelles Testen 19 2.7 Interoperabilität in industriellen Anlagen 20 2.7.1 Definitionen der Interoperabilität 20 2.7.2 Herausforderungen der Interoperabilität 22 2.7.3 Implementierung von Interoperabilität 22 2.7.3.1 Syntaktische Interoperabilität 23 2.7.3.2 Semantische Interoperabilität 23 2.7.4 Vertikale Integration 24 2.7.5 Horizontale Integration 25 3 Anforderungsanalyse 27 3.1 Adaption von Strategien der VIBN und CS 27 3.2 Anforderungen 28 3.2.1 Anforderungen an die Kompatibilitätsprüfung 28 3.2.2 Anforderungen an die Hardwarekomponenten 29 3.2.3 Anforderungen an die Softwarekomponenten 29 4 Konzept 30 4.1 Komponenten des Teststrategiekonzeptes 30 4.1.1 SPS Selbsttest 32 4.1.2 Export & Import des Soll-Zustandes 32 4.1.3 Ermittlung des Ist-Zustandes 35 4.1.4 Vergleich des Soll- & Ist-Zustandes 35 4.2 Fehlerdetektionstabellen 36 4.3 Reaktionen auf Inkompatibilitäten 38 5 Evaluation 39 5.1 Methodik und Evaluationskriterien 39 5.2 Anwendungsbeispiel 39 5.3 Referenzsystem für Evaluation 41 5.4 Durchführung Evaluation 41 5.5 Erfüllung der Anforderungen an die Kompatibilitätsprüfung 46 6 Diskussion 48 6.1 Beantwortung der Forschungsfragen 48 6.2 Diskussion zur Forschungsmethodik 48 6.3 Bewertung des Konzeptes 49 7 Zusammenfassung und Ausblick 50 7.1 Zusammenfassung 50 7.2 Ausblick und weitere Forschungsarbeit 51 Literaturverzeichnis 52 / Mass customization, small batch sizes, high variability of product types and a changing product portfolio during the life cycle of an industrial plant are current trends in the industry. Due to an increasing decoupling of the development of software and hardware components in an industrial context, compatibility problems within industrial control systems arise more and more frequently. In this thesis, a strategy concept for compatibility testing is derived and discussed by means of literature review and applied research. This 4-phased strategy concept identifies incompatibilities between software and hardware components in the industrial control environment and enables test engineers to detect problems at an early stage. By automating the compatibility test on an external I-PC, the test can be run both when new software is installed on the industrial controller and when the controller is restarted. Thus, changes to the components are constantly detected and incompatibilities are avoided. Furthermore, early incompatibility detection can ensure that a system remains permanently operational. Based on a discussion, additionally strategies are identified to consolidate the robustness and applicability of the presented concept.:1 Motivation 1 1.1 Aufgabenanalyse 3 1.1.1 Forschungsfragen und Teilaufgaben 3 1.1.2 Aufgabenkomplexe 4 1.1.3 Eingrenzung der Aufgabenstellung 5 1.1.4 Ziel der Arbeit 6 1.1.5 Festsetzung von Formulierungen 6 2 Einführung und Stand der Technik 7 2.1 VIBN von industriellen Anlagen 7 2.1.1 Teststrategien aus der VIBN 9 2.1.1.1 Model-in-the-Loop 9 2.1.1.2 Software-in-the-Loop 9 2.1.1.3 Hardware-in-the-Loop 10 2.1.1.4 Konklusion und Forschungsbestrebungen 11 2.2 CS in industriellen Anlagen 12 2.2.1 Sicherheitsziel 13 2.2.2 Teststrategien aus der CS 13 2.2.2.1 Signaturbasierte Erkennung 14 2.2.2.2 Anomaliebasierte Erkennung 14 2.2.2.3 Konklusion und Forschungsbestrebungen 16 2.3 Interoperabilität als Kompatibilitätsmaß 16 2.4 Testautomatisierung und Test Case Generierung 17 2.5 Allgemeine Softwareteststrategien 17 2.5.1 Modellbasiertes Testen 17 2.5.2 Funktionale Tests 18 2.6 Allgemeine Hardware Teststrategien 19 2.6.1 Modellbasiertes Testen 19 2.6.2 Manuelles Testen 19 2.7 Interoperabilität in industriellen Anlagen 20 2.7.1 Definitionen der Interoperabilität 20 2.7.2 Herausforderungen der Interoperabilität 22 2.7.3 Implementierung von Interoperabilität 22 2.7.3.1 Syntaktische Interoperabilität 23 2.7.3.2 Semantische Interoperabilität 23 2.7.4 Vertikale Integration 24 2.7.5 Horizontale Integration 25 3 Anforderungsanalyse 27 3.1 Adaption von Strategien der VIBN und CS 27 3.2 Anforderungen 28 3.2.1 Anforderungen an die Kompatibilitätsprüfung 28 3.2.2 Anforderungen an die Hardwarekomponenten 29 3.2.3 Anforderungen an die Softwarekomponenten 29 4 Konzept 30 4.1 Komponenten des Teststrategiekonzeptes 30 4.1.1 SPS Selbsttest 32 4.1.2 Export & Import des Soll-Zustandes 32 4.1.3 Ermittlung des Ist-Zustandes 35 4.1.4 Vergleich des Soll- & Ist-Zustandes 35 4.2 Fehlerdetektionstabellen 36 4.3 Reaktionen auf Inkompatibilitäten 38 5 Evaluation 39 5.1 Methodik und Evaluationskriterien 39 5.2 Anwendungsbeispiel 39 5.3 Referenzsystem für Evaluation 41 5.4 Durchführung Evaluation 41 5.5 Erfüllung der Anforderungen an die Kompatibilitätsprüfung 46 6 Diskussion 48 6.1 Beantwortung der Forschungsfragen 48 6.2 Diskussion zur Forschungsmethodik 48 6.3 Bewertung des Konzeptes 49 7 Zusammenfassung und Ausblick 50 7.1 Zusammenfassung 50 7.2 Ausblick und weitere Forschungsarbeit 51 Literaturverzeichnis 52

Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz ermöglicht die generelle Herstellung taktiler Displays mit fotolithographischen Methoden. Dabei werden alle Aktorelemente Schicht für Schicht und gleichzeitig während des Herstellungsprozesses erzeugt. Somit ist eine Miniaturisierung und Skalierung möglich, wie sie für Prozesse in der Halbleitertechnik üblich ist. Um die Aktorgröße jedes einzelnen Aktors zu kontrollieren, wurde das temperatursensitive Hydrogel Poly(N-Isopropylacrylamid) verwendet und zur Steuerung eine elektronikkompatible thermische Schnittstelle entwickelt. Dabei entsteht ein hochaufgelöstes thermisches Feld, welches aktorgenau den Zustand von jedem visuellen Pixel und taktilem Taxel einstellt. Es wurde ein System zur Wiedergabe von sowohl glatten als auch rauen Oberflachen und ein weiteres System zur Wiedergabe von Konturen aufgebaut. Da die Aktoren ihre optischen Eigenschaften verändern, haben die Displays damit zusätzlich auch eine visuelle, monochrome Funktionalität.:1 Einleitung 2 Präzisierte Problemstellung 3 Stand der Technik 3.1 Haptik 3.2 Kutane Displays 3.3 Taktile Wahrnehmung als Grundlage kutaner Displays 3.3.1 Frequenzabhängigkeit der Hautwahrnehmung 3.3.2 Sensortypen der Haut 3.3.3 Zusammengesetzte Wahrnehmung und Wahrnehmbarkeitsschwellen 3.3.4 Auswahl des Aktorfunktionsprinzips 3.4 Grundlagen stimulisensitiver Hydrogele 3.4.1 Arten von Gelen 3.4.2 Thermodynamisches Gleichgewicht der Gelquellung 3.4.3 Quellkinetik: Zeitliche Beschreibung der Quellung 3.4.4 Herstellung von Hydrogelstrukturen 3.5 Erzeugung eines Temperaturprofils zur Aktorsteuerung 4 Herstellung des Aktorchips und Elementansteuerung 4.1 Trägersubstratherstellung 4.1.1 Trägersubstrat-Schichtaufbau: vereinfachtes Modell 4.1.2 Projektionsschicht 4.1.3 Herstellung einer transparenten Schicht definierter thermischer Eigenschaften 4.2 Aktorarrays auf Hydrogelbasis 4.3 Fotolithografischer Prozess 4.3.1 Belichtungseinheit 4.3.2 Lichtleistung und Uniformität 4.3.3 Fotolithografische Maske 4.3.4 Proximity-Belichtung – 1:1 Schattenprojektion 4.4 Hydrogelsynthese 4.4.1 Vernetzergehalt 4.4.2 Fotoinitiator 4.4.3 Losungsmittel- und Monomerkonzentration 4.4.4 Lösungsmittelqualitat und Temperatur 4.4.5 UV-Intensitat 4.4.6 Lithografische Hydrogelstrukturierung 4.4.7 UV-Belichtungszeit 4.4.8 Belichtungsprozess und Lichtleistung 4.4.9 Auswirkungen von Sauerstoff auf die Hydrogelstruktur 4.5 Strukturierungsgrenze 4.6 Haftvermittlung zwischen Hydrogelaktoren und Tragersubstrat 4.7 Thermische Aktorsteuerung 4.7.1 Temperatursteuerung im Quellungsgleichgewicht 4.7.2 Quellverhalten bei schneller Temperaturanderung und kurzer Quellzeit 4.8 Fertigungstechnologie fur Grosflächenmikrostrukturierung 4.8.1 Herstellung von Grosflächenmaster 4.8.2 Elastische Displayabdeckung 4.8.3 Mikrofluidische Quellmittelversorgung des Aktorchips 5 Optoelektrothermischer Controller 5.1 Konzept Warmesteuerung durch Licht 5.2 Aktorchip-Aufnahmeeinheit mit Licht-Wärme-Umwandlung 5.3 Mechanischer und optischer Aufbau 5.4 Zusatzoptik für Projektion auf 2,5 Zoll Displaydiagonale 5.5 Umlenkspiegel 5.6 Leistungsparameter der verwendeten Projektions-Systeme 5.7 Projektorcharakteristik 5.8 Setup der Thermografiekamera 5.9 Optimierung und Charakterisierung der Aktorsteuerung 5.9.1 Design-, Betriebs- und Messgrosen der thermischen Steuerung 5.9.2 Dimensionierung und Optimierung der thermischen Steuerung 5.9.3 Zeitliche und räumliche Auflösung der Aktorsteuerung 5.9.4 Optische Temperaturbestimmung durch Kontrastfunktion 6 Multimodales Display 6.1 Displayfunktionen 6.1.1 Basisaktorchip als Aktorarray mit Substrat und Abdeckung 6.1.2 Monochrome Displayfunktion 6.1.3 Ausgabe taktiler Oberflächeneigenschaften 6.1.4 Taktile Kantenhervorhebung der Kontur 6.2 Kombinierte Monochrom und Displacementfunktionalität 7 Zusammenfassung 8 Ausblick

This work presents a distance measurement system for the localization of passengers in the sea in case of a ship sinking emergency. By applying the radar principle together with a switched injection-locked oscillator (SILO) as an active reflector the distance to a passenger can be determined through continuous measurement of the roundtrip time of flight of a chirp signal. The system is based on a concept previously published in [Wie03, VG08, Str14] and for the first time is designed in the 2,45GHz ISM frequency band. Criteria for the design of SILOs formulated in [Str14] were applied and verified for the first time at an operating frequency of 2,45GHz. The designed circuits were manufactured in a SiGe BiCMOS technology. The SILOs are based on a commonbase Colpitts and cross-coupled topology and exhibit the lowest published input referred noise power of −79 dBm. The output power is 12,3 dBm and 12,6 dBm, respectively. The efficiency of the cross-coupled as well as Common-Base Colpitts SILO is 26%. The theory of a SILO was extended towards the influence of interfering signals and the modulation signal. An interfering signal influences the starting behavior of a SILO in a way that a distance measurement leads to incorrect results. It was shown that interfering signals in the ISM frequency bands of 868MHz, 2,4GHz and 5,8GHz don’t allow correct distance measurements due to their high output power. Therefore, it is recommended to use an operating frequency of the SILO that is not close to any possible interfering signal, like the ISM band at 24GHz. This minimizes measurement errors and enables a more accurate distance measurement. Furthermore, it was shown that a phase coherent start of oscillation to any received signal is influenced by the modulation signal. For injection powers below −40 dBm the oscillator does not start its oscillation due to the injected signal, but to the modulation signal itself. This disables exact distance measurements. Through the use of a modulation capacitor at the base of the tail current source this effect can be minimized and the input referred noise power of the oscillator can be improved. The functionality of the distance measurement system was also verified for both SILO topologies. The range of the system in the best case scenario with a Common-Base Colpitts SILO was 120m, at an accuracy of 53 cm and a precision of 42 cm. All results regarding accuracy and precision exceed the specification of the system.

Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort]

The realization of wireless ultra-reliable low-latency communications (URLLC) is one of the key challenges of the fifth generation (5G) of mobile communications systems and beyond. Ensuring ultra-high reliability together with a latency in the (sub-)millisecond range is expected to enable self-driving cars, wireless factory automation, and the Tactile Internet. In wireless communications, reliability is usually only considered as percentage of successful packet delivery, aiming for 1 − 10⁻⁵ up to 1 − 10⁻⁹ in URLLC.

With the advancement of semiconductor technology, the System on Chip (SoC) is becoming more and more complex, so the on-chip communication has become a bottleneck of SoC Design. Since the traditional bus system is inefficient and not scalable, the Network-On-Chip (NoC) has emerged as the promising communication mechanism for complex SoCs. As some systems have specific performance requirements, such as a minimum throughput (for real-time streaming data) or bounded latency (for interrupts, process synchronization, etc), communication with Guaranteed Service (GS) support becomes crucial for predictable SoC architectures. Circuit Switching (CS) is a popular approach to support GS, which firstly has to allocate an exclusively connection (circuit) between the source and destination nodes, and then the data packets are delivered over this connection. However, it is inefficient and inflexible because the resource is occupied by single connection during its whole lifetime, which can block other communications. Hence, two extensions of CS have been proposed to share resources: i) Time-Division Multiplexing (TDM), in which the available link capacity is split into multiple time slots to be shared by different flows in TDM scheme; and ii) Space-Division-Multiplexing (SDM), in which only a subset (sub-channel) of the link wires is exclusively allocated to a specific connection, while the remaining wires of the link can be used by other flows. The connection allocation is critical for CS, since the data delivery can start only after the associated connection is allocated. In this thesis, we propose a dedicated hardware connection allocator to solve the dynamic connection allocation problem for CS NoCs, which has to i) allocate a contention-free path between source-destination pairs and ii) allocate appropriate portions of link bandwidth (appropriate number of time slots and subsets) along the path. The dedicated connection allocator, called NoCManager, solves the connection allocation problem by employing a trellis-search based shortest path algorithm. The trellis search can explore all possible paths between source node and destination. Moreover, it shall find the requested path in a fixed low latency and can guarantee the path optimality in terms of path length if the path is available. In this thesis, two different trellis graphs, Forward-Backtrack trellis and Register-Exchange trellis are proposed. The Forward-Backtrack trellis completes the path search in two steps: forward search and backtracking. Firstly, the forward search begins at source node that traverses the network to find the free path. When destination node is reached, the backtrack starts from destination to select the survivor path and collect the associated path parameters. However, Register-Exchange trellis saves the entire survivor path sequences during forward search. Consequently, the backtracking step can be omitted, and thus the allocation time is halved compared to forward-backtrack approaches. Moreover, each trellis graph consists of three categories, unfolded structure, folded structure and bidirectional structure. The unfolded structure can provide high allocation speed while folded structure is more efficient from a hardware point of view. The bidirectional structure starts the search at two sides, source node and destination node simultaneously, so the allocation speed is 2 times faster than previous unidirectional search. Furthermore, in order to address the scalability issue of previous centralized systems, the partitioned architecture (i.e. spatial partitioning technique) is proposed to divide the large system into multiple smaller differentiated logical partitions served by local NoCManagers. This partitioning technique keeps the request load of the manager and manager-node communication overhead moderate. Inside each partition, the path search problem is solved by a local manager with trellis-search algorithm. To establish a path that crosses partitions, the managers communicate with each other in distributed manner to converge the global path. In order to further enhance the path diversity and resource utilization, we adopt the combined TDM and SDM technique. In combined TDM-SDM approach, each SDM sub-channel is split into multiple time slots so that can be shared by multiple flows. Hence, the number of sub-channels can be kept moderate to reduce router complexity, while still providing higher path diversity than TDM scheme. In order to investigate and optimize TDM-SDM partitioning strategy, we studied the influence of different TDM-SDM link partitioning strategies on success rate and path length that allowed us to find the optimal solution. The dedicated connection allocator using the trellis-search algorithm is employed for TDM, SDM and TDM-SDM CS. In the end, we present the router architecture that combines the circuit-switching network (for GS communication) and packet-switching network (for best-effort communication).

The monolithic integration of III-V semiconductors on Si substrates is a part of a long-term technological roadmap for the semiconductor industry towards More-than-Moore technologies. Despite of the different lattice constants and thermal expansion coefficients, research efforts over the last two decades have shown that III-V crystals with a high structural quality can be grown epitaxially in the form of nanowires directly on Si using CMOS-compatible (Au-free) methods. Among other III-V compounds, InxGa1-xAs is of the special interest for the use in infrared photonics and high-speed electronics due to its tunable direct bandgap and low electron effective mass, respectively. For comparison, InxGa1-xAs thin films are typically grown on lattice-matched InP substrates with a limited range of compositions at around x=0.52. The realization of InxGa1-xAs nanowires on Si, though, has been proved challenging owing to the limited In-content when the nanowires are grown Ga-catalyzed or the high density of stacking faults when the nanowires are grown catalyst-free. In this work, the use of highly lattice-mismatched GaAs/InxGa1-xAs and GaAs/InxAl1-xAs core/shell nanowires on Si(111) substrates have been studied as an alternative to InxGa1-xAs nanowires. The core/shell mismatch strain and its accommodation within the nanowires plays an important role in the growth, the structural, and the electronic properties of the nanowires. A key parameter in this work was the unusually small diameter of 20 – 25 nm of the GaAs core. First, the strain-induced bending of the nanowires during the growth of the shell by molecular beam epitaxy was investigated. It was apparent that the nanowires bend as a result of a preferential incorporation of In adatoms on one side of the nanowires. To obtain straight nanowires with symmetric shell composition and thickness around the core, it was necessary to choose relatively low growth temperatures and high growth rates that limited the surface diffusivity of In adatoms. Second, the strain accommodation in straight nanowires was investigated as a function of the shell thickness and composition using a combination of Raman scattering spectroscopy and X-ray diffraction. For a fixed shell composition of x=0.20 and small enough shell thicknesses, the strain in the shell is compressive and decreases progressively as the shell grows thicker. On the other hand, the strain in the core is tensile with hydrostatic character and increases with shell thickness. Finally, for shell thicknesses larger than 40 nm, the shell becomes strain-free, whereas the strain in the core saturates at 3.2% without any dislocations. For a fixed shell thickness of 80 nm, the strain in the core was further increased by increasing the In-content in the shell, reaching values as high as 7% for x=0.54. A plastic relaxation via misfit dislocations was observed only for the next highest In-content of x=0.70. In agreement to theoretical predictions, the tensile strain in the core resulted in a large reduction of the GaAs bandgap (as measured by photoluminescence spectroscopy), up to approximately 40% of the strain-free value. A similar reduction in electron effective mass is also expected. The transport properties of electrons inside the strained GaAs core were assessed by optical-pump terahertz-probe spectroscopy. Quite high mobility values of approximately 6100 cm2/Vs at 300 K for a carrier concentration of 9×1017 cm−3 were measured, which are the highest reported in the literature for GaAs nanowires, but also higher than the values for unstrained bulk GaAs. The importance of the results in this work is two-fold. On the one hand, strain-free InxGa1-xAs nanowire shells were grown on Si substrates with x up to 0.54 and thicknesses well beyond the critical thickness of their thin film counterparts. Such shells could potentially be employed as conduction channels in high electron mobility transistors (HEMTs) integrated in Si platforms. On the other hand, highly tensile-strained GaAs cores with electronic properties like those of InxGa1-xAs thin films were obtained. In this case, the results demonstrate, that GaAs nanowires can be suitable for photonic devices across the near-infrared range, including telecom photonics at 1.3 and potentially 1.55 μm, as well as for high-speed electronics. GaAs as a binary material is expected to be advantageous compared to InxGa1-xAs due to the absence of structural imperfections typically present in ternary alloys. Finally, to explore the potential of the core/shell nanowires as HEMTs, self-consistent Schrödinger-Poisson calculations of two different modulation-doped heterostructures were performed. In the case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained InxGa1-xAs shell and an additional unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, the possibility to form a cylindrical-like two-dimensional electron gas inside the InxGa1-xAs shell was found. In the alternative case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, it was found that it is possible to form a quasi-one-dimensional electron gas at the center of the core. Both structures are the subject of ongoing research.:1 Introduction 1 2 Fundamentals and state-of-the-art 7 2.1 Electronic and structural properties of III-V semiconductors 7 2.2 Growth of III-V nanowires on Si 20 2.3 Core/shell heterostructure nanowires 29 2.4 Strain in epilayers and core/shell nanowires 36 2.5 Strain engineering in core/shell nanowires and its effect on band parameters 46 2.6 Modulation-doped III-V semiconductor heterostructures 56 3 Methods 61 3.1 Optical and electron microscopes 61 3.2 X-ray diffraction 64 3.3 Raman scattering spectroscopy 65 3.4 Photoluminescence spectroscopy 75 3.5 Optical-pump terahertz-probe spectroscopy and photoconductivity in semiconductors 77 3.6 Device processing 82 3.7 Semiconductor nanodevice software “nextnano” 85 3.8 MBE for crystal growth and core/shell nanowire growth 86 4 Results and discussions 91 4.1 Structural, compositional analyses of straight nanowires and coherent growth limit 91 4.2 Bent nanowires 95 4.3 Strain analyses in core/shell nanowires 97 4.3.1 Dependence of strain on shell thickness 97 4.3.2 Dependence of strain on the shell chemical composition 102 4.3.3 Dependence of strain on the core diameter 105 4.4 Strain-induced modification of electronic properties 106 4.5 Strain-enhanced electron mobility of GaAs nanowires higher than the bulk limit 114 4.6 Towards high electron mobility transistors 123 5 Conclusion and outlook 129 Bibliography 131 List of abbreviations I List of Symbols III List of publications VII List of conference contributions VIII Acknowledgements X