Forschung

Jedes intelligente Sensorsystem basiert auf einem fundierten Verständnis des zugrundeliegenden Arbeitsprinzips des verwendeten Sensors. Dabei ist ein kompaktes mathematisches Modell unabdingbar, um eine geschlossene Darstellung, die exakt das Verhalten des Sensors beschreibt, zu erhalten. Während das Systemverhalten im linearen Arbeitsbereich des Sensors relativ leicht bestimmt werden kann, werden vor allem für sehr kleine oder sehr große Signale, die vom Rauschverhalten des Systems und vom nichtlinearen Verhalten dominiert werden, umfassendere Ansätze benötigt.

Am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik werden daher nicht nur klassische lineare zeitabhängige Modellierungsansätze verfolgt, sondern es wird auch intensiv an der Modellierung nichtlinearer dynamischer Systeme geforscht, sowohl mit als auch ohne eine Betrachtung der zugehörigen Rauschprozesse. Daher haben wir auch Zugang zu den algebraischen Softwarewerkzeugen wie Wolfram Mathematica und Mathworks MATLAB, welche Industriestandard auf diesem Gebiet sind.

Während kompakte geschlossene Darstellungen der Systemmodelle wünschenswert sind um einen tiefgehenden Einblick in ein Sensorsystem zu erlangen, führen das nichtideale Systemverhalten, parasitäre Effekte sowie unsymmetrische Geometrien häufig dazu, dass es unmöglich ist, eine geschlossene Darstellung für ein reales Sensorsystem zu finden. In diesen Fällen helfen zum einen numerische Simulationen das zu erwartende Systemverhalten zu untersuchen. Andererseits, besonders im Hinblick auf die gewachsenen Rechnerressourcen, unterstützen numerische Simulationen einschließlich Parameterstudien und Optimierungsverfahren den Erkenntnisgewinn bezüglich des Sensorsystems und verbessern somit das Systemverhalten.

Am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik führen wir intensive numerische Simulationen integrierter Schaltkreise durch. Aus diesem Grund haben wir Zugang zu modernsten Softwarewerkzeugen einschließlich Cadence Design Suite und Keysights ADS und GoldenGate. Zudem ist am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik das Kompetenzzentrum für multiphysikalische Simulationen des Fachbereichs Elektrotechnik und Informationstechnik angesiedelt. In diesem Zusammenhang lehren wir nicht nur multiphysikalische Simulationen unter Verwendung von COMSOL Multiphysics für interessierte Studierende, wir forschen auch basierend auf den industriestandard Softwarewerkzeugen wie COMSOL Multiphysics, CST Microwave Studio, Altair FEKO oder MATLAB sowie unserem selbst entwickelten FEM/BEM-Code.

Während Modellbildung und Simulation unabdingbare Werkzeuge für den Entwurf leistungsfähiger intelligenter Sensorsysteme sind, kann der Nachweis eines verbesserten Systemverhaltens oder die Realisierbarkeit für ein völlig neues Sensorkonzept ausschließlich mithilfe eines realen Prototyps erbracht werden. Daher ist ein Großteil unserer Forschung der Realisierung der Sensorsysteme in Hardware gewidmet. Dabei nutzen wir regelmäßig das großartige Potenzial moderner IC (integrated circuit) Technologien, um eigene intelligente Sensorsysteme mit einer Leistungsfähigkeit weit über dem bekannten Stand der Technik herzustellen. Eine Spezialität unseres Instituts is der Entwurf rein quantenmechanischer oder gemischt klassisch-quantenmechanischer Sensorsysteme, wobei wir versuchen, die Grenze der Signalerkennung in die Nähe des quantenmechanisch möglichen Limits zu verschieben. Beispiele dieser IC-basierenden quantenmechanischen intelligenten Sensoren sind unser portables chipintegriertes Elektronen-Spin-Resonanz-Spektrometer und unsere chipintegrierte Kern-Spin-Resonanz-Technologie.