Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Dielektrische Elastomersensoren sind aus Elastomermaterialien aufgebaute Sensoren mit einem kapazitiven Messprinzip. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einer dehnbaren Elastomerfolie als Dielektrikum, die beidseitig mit leitfähigen und ebenfalls dehnbaren Schichten als Elektroden bedeckt ist. Damit entsteht ein mechanisch verformbarer elektrischer Kondensator, dessen Kapazität mit der Dehnung der Elastomerfolie stetig ansteigt. Neben solchen Dehnungssensoren lassen sich mit einem geeigneten geometrischen Aufbau auch dielektrische Elastomersensoren realisieren, bei denen eine elektrische Kapazität mit einem angelegten Druck bzw. einer Kraft auf die Oberfläche, mit einer Scherkraft oder mit der Annäherung eines elektrisch leitfähigen oder polarisierbaren Körpers wie z. B. der menschlichen Hand messbar ansteigt. Durch ihre vielfältige Funktion, intrinsische Verformbarkeit und flächige Ausgestaltung weisen Dielektrische Elastomersensoren erhebliches Potential in der Schaffung smarter, sensitiver Oberflächen auf. Dabei sind weitgehende und individuelle Adaptionen auf den jeweiligen Anwendungszweck durch Abstimmung geometrischer, mechanischer und elektrischer Eigenschaften möglich. Die bisherige Forschung beschränkt sich jedoch auf die Analyse und Optimierung einzelner Aspekte ohne das Potential einer übergreifenden systemischen Perspektive zu nutzen. Diese Arbeit widmet sich daher der Betrachtung der Sensorik als Gesamtsystem, sowohl horizontal - von abstrakten Modellen bis zur Fertigung und prototypischen Anwendung - als auch vertikal über die Komponenten Material, Struktur und Elektronik. Hierbei wurden in mehreren Teilgebieten eigenständige neue Erkenntnisse und Verbesserungen erzielt, die anschließend in die übergreifende Betrachtung des Gesamtsystems integriert wurden. So wurden in den theoretischen Vorarbeiten neue Konzepte zur ortsaufgelösten Erfassung mehrerer physikalischer Größen und zur elektrischen und mechanischen Modellierung entwickelt. Die abgeleiteten Materialanforderungen wurden in eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Elastomer-Kompositwerkstoffe überführt, in der neuartige analytische Methoden in Form von dynamischer elektromechanischer Testung und nanoskaliger Computertomographie zur Aufklärung der inneren Wechselwirkungen zum Einsatz kamen. Im Bereich der automatisierten Prozessierung wurde ein für die komplexen mehrschichtigen Elektrodenstrukturen geeigneter neuer lasergestützer substraktiver Fertigungprozess etabliert, der zudem die Brücke zu elastischer Elektronik schlägt. In der abschließenden Anwendungsevaluierung wurden mehrere ortsaufgelöste und multimodale Gesamtsysteme aufgebaut und geeignete Messelektronik und Software entwickelt. Abschließend wurden die Systeme mit einem eigens entwickelten robotischen Testsystem charakterisiert und zudem das Potential der Auswertung mittels maschinellem Lernen aufgezeigt. / Dielectric elastomer sensors are sensors constructed from elastomer materials with a capacitive measuring principle. In their simplest form, they consist of a stretchable elastomer film as dielectric, which is covered on both sides with conductive and also stretchable layers as electrodes. This creates a mechanically deformable electrical capacitor whose capacitance increases steadily with the stretching of the elastomer film. In addition to such strain sensors, with a suitable geometric design it is also possible to realize dielectric elastomer sensors in which an electrical capacitance increases measurably with an applied pressure or force on the surface, with a shear force or with the approach of an electrically conductive or polarizable body such as the human hand. Due to their versatile function, intrinsic deformability and flat design, dielectric elastomer sensors have considerable potential in the creation of smart, sensitive surfaces. Extensive and individual adaptations to the respective application purpose are possible by matching geometric, mechanical and electrical properties. However, research to date has been limited to the analysis and optimization of individual aspects without exploiting the potential of an overarching systemic perspective. This work is therefore certainly dedicated to the consideration of sensor technology as an overall system, both horizontally - from abstract modeling to manufacturing and prototypical application - and vertically via the components material, structure and electronics. In this context, individual new findings and improvements were achieved in several sub-areas, which were subsequently integrated into the overall consideration of the entire system. Thus, in the preliminary theoretical work, new concepts were developed for the spatially resolved measurement of multiple physical quantities and for electrical and mechanical modeling. The derived material requirements were transferred into an in-depth characterization of the elastomer composite materials used, in which novel analytical methods in the form of dynamic electro-mechanical testing and nanoscale computer tomography were applied to elucidate the internal mechanisms of interaction. In the area of automated processing, a new laser-based subtractive manufacturing process suitable for the complex multilayer electrode structures was established, which also bridges the gap to stretchable electronics. In the final application evaluation, several spatially resolved and multimodal sensor systems were built and suitable measurement electronics and software were developed. Finally, the systems were characterized with a specially developed robotic test system and, in addition, the potential of evaluation by means of machine learning was demonstrated.

Color image acquisition and image processing have become a key in modern data application. In order to provide high quality images, the field of accurate acquisition is most important in respect to all further processing steps. But a whole variety of current image sensors possess incorrect color rendition due to insufficient accuracy of optical sensor parameters. This is detrimental especially for color sensors, because in these cases specific color information will be incorrectly acquired. Further, traditional color correction methods do not use information on the specific sensor spectral sensitivity, thus losing substantial information for color correction. The problem is investigated by introducing an algorithmic correction method which is capable of correcting dysfunctional sensor properties. The correction method is based on an enhancement of the CIE color perception model. According to this, color perception is modelled as a special integral transformation, where the spectral sensitivities of the photo receptors represent the base functions of the transformation. It is shown that different sets of photo receptors show the same perception, when their spectral sensitivities are linear dependent. On the other hand, photo receptors with no linear dependency show different perception and there is no analytical transformation between them. Thus, a perfect color correction is only possible if photo sensor and human perception show a linear dependency. In case of dissentient sensor characteristics, the correction method of spectral reconstruction can determine an optimal solution using a least square error optimization. Applying sensors with more than three color channels, this correction method can show improved results due to a better approximation. For implementation of the color correction scheme, different sensor designs have been developed. Compared with currently dominating CCD (Charge Coupled Device) technology, a realisation of image sensors based on CMOS technology show a high potential. CMOS technology allow the integration of the sensor together with control and image processing on the same chip, thus enabling the design of sensor systems at low cost. But modern sub-100nm technologies show also substantial disadvantages, such as increased leakage currents. Special circuit designs have been developed to especially reduce the influence of leakage currents. For application of the color correction method, new multi-channel photo sensors using vertically stacked photo diodes have been developed. The work further shows different concepts of multi-channel sensors capable of high quality color rendition. This approach is demonstrated on several new CMOS sensor designs with examples, implemented in a 90nm Infineon technology.

Software-basierte Selbsttest (SBST) Konzepte für Prozessoren werden zunehmend interessant nicht nur durch die At-Speed Test Problematik. Auch bezüglich Stromaufnahme und Testzeit bietet dieses Testkonzept gegenüber dem Standard Verfahren wie etwa Scan-Test Vorteile. Als grundsätzlich problematisch ist die Erzeugung solcher software-basierten Testroutinen anzusehen, da bislang kein geeigneter einheitlicher Entwurfsprozess vorliegt. Deshalb wurde exemplarisch für einen einfachen 16-bit Prozessorkern sowohl eine manuelle rein funktional erstellte SBST und eine automatisch generierte auf Strukturinformationen basierende SBST untersucht um die Möglichkeiten und Grenzen eines solchen Ansatzes aufzuzeigen.

PCM test structures are commonly used to check the produced wafers from the standpoint of the technologist. In general these structures are managed inside the FAB and are focused on standard device properties. Hence their development and analysis is not driven by analog circuit blocks, which are sensitive or often used. Especially for DFM/Y of analog circuits the correlation between design and technology has to be defined. The knowledge of electrical behavior of test structures helps to improve the designer's sensitivity to technological questions. This paper presents a method to bring the PCM methodology into the analog circuit design to improve design performance, yield estimation and technology correlation. We show how both analog circuit and PCM blocks can be simulated and analyzed in the design phase.

Die jedes Frühjahr stattfindende »Dresdner Arbeitstagung Schaltungs- und Systementwurf« wird traditionell vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Institutsteil Entwurfsautomatisierung (EAS) und vom Sächsischen Arbeitskreis Informationstechnik des VDE Bezirksvereins Dresden ausgerichtet. Die Arbeitstagung hat bereits eine über 30-jährige Tradition und wird von Wissenschaftlern aus Forschungsinstituten und Ingenieuren aus der Industrie für einen regen fachlichen Austausch genutzt. Gegenstand der Tagung sind aktuelle Ergebnisse und neue Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung sowie Erfahrungsberichte und Problemdiskussionen auf dem Gebiet des Entwurfs analoger, digitaler und hybrider Systeme. Das Tagungsprogramm bietet den Teilnehmern wieder interessante Beiträge über neue Lösungen zum Entwurf komplexer Schaltungen und Systeme, die auch Themen wie Rekonfigurierbarkeit, Architekturen, Performance, Hardware-Software, Test und Optimierung behandeln. Begleitend zur Tagung wird von der Firma Mentor Graphics ein Workshop zum Thema »Advanced Verification Methodology« angeboten. Hier werden an einem Beispiel die Vorteile der zukünftigen Design Verifikation mit System Verilog und Assertions erläutert. Der vorliegende Tagungsband enthält die Langfassungen der Beiträge, für deren Form und Inhalt die Autoren verantwortlich sind. Als Veranstalter bedanken wir uns bei den Autoren für die Bereitstellung dieser Beiträge, die als Grundlage für die fachlichen Diskussionen dienen, und bei den Teilnehmern für ihr Interesse an unserer Arbeitstagung.

A simple methodology for determining the input referred offset voltage of comparators is presented. This in general is difficult as the output of a comparator is discrete valued. The method relies on a Monte-Carlo-Simulation with certain comparator input values and some postprocessing of the comparator output data. The comparator is always operated in its intended environment, there is no modification of the comparator itself nor some unusual stimuli required. There is also no known restriction for the type of comparators to be analyzed.

Ein stetig wachsender Anteil des Aufwands zum Entwurf digitaler Schaltungen entfällt auf die funktionale Verifikation. Der Verifikationsraum als Menge aller möglichen Kombinationen von Attributen einer Komponente, d. h. der Parameter und Eingangsdaten, ist oftmals sehr groß, wodurch die Verifikation aller Kombinationen unpraktikabel wird. Deshalb verwenden moderne Methoden der funktionalen Verifikation die zufallsgesteuerte Erzeugung von Stimuli in Verbindung mit manuell definierten Spezialfällen, sog. Corner Cases, um eine möglichst hohe funktionale Abdeckung in der angestrebten Verteilung zu erzielen. Als großer Nachteil diese Ansätze führen steigende Abdeckungsanforderungen zu exponentiell ansteigenden Laufzeiten. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurden Generatoren propagiert, die nur solche Kombinationen erzeugen, die nicht bereits abgedeckt worden sind. Leider können die dabei verwendeten Verfahren das Problem nicht zufriedenstellend lösen, da auch sie im Allgemeinen zufällige Kombinationen erzeugen, um in einem zweiten Schritt zu prüfen, ob diese bereits abgedeckt sind. Im vorliegenden Beitrag werden Entscheidungsdiagramme zur Repräsentation aller zulässigen Kombinationen innerhalb des Verifikationsraums verwendet. Mit Hilfe dieses analytischen Modells kann jede beliebige Anzahl von Kombinationen in linearer Zeit erzeugt werden. Wird die vorgestellte Methode auf die Zufallserzeugung zur funktionalen Verifikation angewendet, kann diese um Größenordnungen beschleunigt werden.

Software-basierte Selbsttest (SBST) Konzepte für Prozessoren werden zunehmend interessant nicht nur durch die At-Speed Test Problematik. Auch bezüglich Stromaufnahme und Testzeit bietet dieses Testkonzept gegenüber dem Standard Verfahren wie etwa Scan-Test Vorteile. Als grundsätzlich problematisch ist die Erzeugung solcher software-basierten Testroutinen anzusehen, da bislang kein geeigneter einheitlicher Entwurfsprozess vorliegt. Deshalb wurde exemplarisch für einen einfachen 16-bit Prozessorkern sowohl eine manuelle rein funktional erstellte SBST und eine automatisch generierte auf Strukturinformationen basierende SBST untersucht um die Möglichkeiten und Grenzen eines solchen Ansatzes aufzuzeigen.