Microelectronic Systems Design Lab

Profile and objectives

The Microelectronic Systems Design Lab is engaged in the design and realization of microelectronic circuits – which can be either discrete or highly integrated –for both teaching and research.

For teaching the following, project-oriented labs are offered:

The Microelectronic Systems Design Lab also provides a professionally equipped laboratory for the production and testing of microelectronic circuits. The Electronics Manufacturing Lab can be used by students and staff of the university in the context of theses and research projects.

The research work in the Microelectronic Systems Design Lab focuses in particular on the design of low-power electronic and sensor systems with radio interfaces for a wide range of applications (see project examples).

Research and thesis topics

Energy-autonomous, radio-based sensor systems
Low Power Electronics Design
Energy harvesting based electronic systems
Microelectronics design with programmable and user-specific circuits (ASICs, FPGAs, CPLDs, PSoCs, FPAAs...)
Processor integration on FPGA and ASIC
Additively manufactured electronics (2D printing, 3D printing, flexible electronics systems)

Examples of projects at the Microelectronic Systems Design Lab

Die Messung von Vitalparameter, insbesondere Puls und Temperatur, an kleinen Lebewesen wie Vögeln, Mäuse aber auch Säuglingen ist von großer Bedeutung. Die Herausforderungen und Anforderungen bei der Entwicklung von Messsystemen zur Erfassung von Vitalparametern an Kleinstlebewesen sind recht vielfältig. Zumeist stehen für das Messsystem ein geringes Gewicht und ein quasi energieautarkes Arbeiten über einen gewissen Zeitraum neben der eigentlichen messtechnischen Funktionalität im Vordergrund. Hinzu kommt oftmals die Forderung, dass das Messsystem ein drahtloses Auslesen der gemessen Parameter ermöglichen soll.

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde ein hochminiaturisiertes nicht-invasives Messsystem zur Erfassung von Puls und Temperatur entwickelt, das insbesondere für kleine Vögel/Küken im Ruhezustand konzipiert ist. Die wichtigsten Kenndaten des Messsystems sind im Folgenden zusammenfassend aufgeführt:

Messung der Körpertemperaturen im Bereich von 0° C bis 40° C überwachen.
Optische Ermittlung des Pulses nach dem Photoplethaysmographie-Verfahren. Pulsmessung von 5 bis maximal 600 Schläge pro Minute.
Abmessungen des Messsystems 15 mm x 25 mm
Energiespeicher per RFID/NFC wieder aufladbaren.
Auslesen der Vitalparameter drahtlos per RFID/NFC mit 53 Kbit/s, z.B. per Smartphone.
Sensoren sind durch flexible Leitungsteilen von der Hauptplatine abgesetzt, um diese an die entsprechenden Körperstellen positionieren zu können.
Einmal pro Stunde Erfassung der Temperatur und des Pulses. Leistungsaufnahme in diesem Fall 115 µW, wodurch mit dem gewählten Energiespeicher ein energieautarkes Arbeiten von 47 Tagen erreicht wird.
Bei täglichem Laden des Energiespeichers von nur 15 Minuten über das Magnetfeld eines RFID-Readers, kann das Messsystem 24 Stunden energieautark betrieben werden.
Das Messsystem wiegt lediglich 3 g.

Smart Home-/Smart-Building-Anwendungen sind ein stetig wachsender Markt. Smart Gardening ist ein Beispiel dafür, Nutzern mehr Komfort und eine bessere Lebensqualität zu Hause oder in Bürogebäuden zu ermöglichen. Entwickelt wurde ein energieautark arbeitendes Indoor-Smart-Gardening-System mit drahtlosem Monitoring und automatisierter Bewässerung. Das entwickelte System besteht aus drei Hauptbestandteilen und verfügt über folgende Eigenschaften:

Wichtigster Bestandteil ist das Netzwerk aus 3D-gedruckten intelligenten Blumentöpfen für individuelle Pflanzen. In dem Blumentopf ist eine Low-Power-Funkschnittstelle integriert. Ein Raspberry-Pi3-System dient als Gateway für das Netzwerk von n Blumentöpfen. Das Gateway dient zur Auswertung der Pflanzenparameter, der Ansteuerung der Blumentöpfe im Netzwerk und als Benutzerschnittstelle für Software-APPs auf Smartphone, PC oder ähnlichem.
Der intelligente Blumentopf besteht aus einem integrierten Wasserreservoir mit einer Tauchpume für die automatische Bewässerung der Pflanze und einer integrierten Elektronik zum Monitoring verschiedenen Pflanzenparametern und des Wasserstandes im Wasserreservoir. Energy-Harvesting per Solarzellen ermöglichen ein energieautarkes Arbeiten des Blumentopfes
Das System lässt sich sowohl für Indoor- als auch Outdoor-Anwendungen einsetzen.
Die integrierte Elektronik könnte auf Grund des energieeffizienten Hardwaredesigns für eine große Anzahl anderer Anwendungen im Smart-Home-Bereich eingesetzt werden.
Unter Worst-Case-Bedingungen (+ 11 dBm Sendeleistung und wenig vorteilhaften Lichtverhältnissen), erreicht das System eine energetische Lebensdauer von mehreren Jahren, ohne dass die Batterien ersetzt werden müssen.

Elektronische Türschilder zur Darstellung von Informationen sind insbesondere in öffentlichen Gebäuden zwischenzeitlich weit verbreitet. Die Varianz dieser elektronischen Türschilder reicht vom Tablet-basierten Türschild bis hin zum PC-basierten Türschild mit externem Bildschirm. Zumeist werden die Systeme mit 230 V betrieben. Bei einer großen Summe von Türschildern in öffentlichen Gebäuden kann dies zu einem signifikanten Umsatz an Energie führen. Im Rahmen dieser Forschungstätigkeit wird die Entwicklung von E-Paper-basierende Low-Power-Türdisplays untersucht. Derzeit sind zwei Türschildvarianten in der Entwicklung:

Ein individuell einsetzbares Türschild, das komplett energieautark arbeitet. Das Türschild erhält seine Energie aus dem Energy-Harvesting per Solarzellen. Die Anzeige auf dem Türschild lässt sich per Smartphone-App und NFC-Schnittstelle konfigurieren.
Ein Türschild, das seine darzustellenden Informationen über einen Server erhält. Das Türschild verfügt in diesem Fall über eine Ethernet-Schnittstelle und wird über Power-Over-Ethernet mit Energie versorgt.

Bei beiden Varianten steht im Zentrum der Forschungstätigkeit der Low-Power-Hardware-Entwurf der Elektronik, der in diesem Fall auf einfachen Mikrocontrollern basiert.

Im Rahmen einer Dissertation wird derzeit der Low-Cost-Additiv-Druck von Elektronik-Komponenten untersucht. Zum Einsatz für das Drucken der Elektronik-Komponenten kommt der PCB-Printer Voltera V-One. Folgenden Fragestellungen wird dabei nachgegangen:

Auf welchen Substraten lässt sich der Additiv-Druck realisieren (Flexible Materialien aus Kunststoff, Papier, FR-4-Standard-PC-Substrate, usw.
Welche Tinten eignen sich für den Additiv-Druck.
Welche elektronischen Eigenschaften besitzen die gedruckten Komponenten.
Welche Eigenschaften haben die angebotenen-Hersteller-Tinten auf den Druck und insbesondere auf die elektronischen Eigenschaften der Komponenten.
Untersuchung selbst hergestellter Tinten im Druckprozess.
Wie verhalten sich die gedruckten Komponenten im Alterungsprozess, unter Belastung und verschiedenen Umwelteinflüssen.

Equipment

Hardware:

15 Sun Ray Virtual Dektop Clients für den VLSI-Entwurf
Verschiedene Server (1 Windows-Server, 1 Linux-RHEL-5.8-Server, 2 Unix-Solaris-9-Server)
A3-Farb- und A4-Schwarz-Weiß-Laserdrucker
8 PC-Arbeitsplätze für die Labortätigkeiten im Bereich Schaltungs-, FPGA- und PCB-Entwurf jeweils ausgerüstet mit hochwertigem Windows-PCs, Oszilloskop, Frequenzqenerator, Spannungsquelle und vielem mehr
6 zusätzliche PC-Arbeitsplätze für Mitarbeiter*innen, Wissenschaftliche Hilfskräfte und die Durchführung von Abschlussarbeiten
Großes Sortiment an Evaluierungsboards mit Intel- und Xilinx-FPGAs
Großes Bauteile-Sortiment für den Entwurf von Elektronischen Schaltungen
Voll ausgestattetes Labor für die Fertigung und den Test von mikroelektronischen Schaltungen der Reinraumklasse 1000 mit SMD-Bestückungsplatz, Reflowofen, Vakuum Trockenschrank, Okularfreies Mikroskop, SMD-Löt- und Reworkarbeitsplatz usw.

Software:

Software für das IC-Design: Synopsis Design Vision: Mentor FPGA- und Board-Design; IC-Full-Design (Model Sim/Questa Sim, HDL Designer, Precision Synthesis, Design Manager IC; Cadence (Encounter Digital Implementation System, Virtuoso Design Environment, AMS Simulator,) Synopsis Design Vision
Software für FPGA-Design: Intel Quartus, Xilinx ISE-DesignSuite 13.1 für FPGA Design
Software für den PCB-Entwurf: Orcad 16.3, Altium Designer 6, Cadence Allegro
Software für die Simulation von Elektronischen Schaltungen: PSPICE, LTSpice

Publications

2020

Le, V.; Lemmer, U., Mackensen, E.: Analysis of miniaturized Printed Flexible RFID/NFC Antennas Using Different Carrier Substrates. in: IEEE Journal of Radio Frequency Identification; Print ISSN: 2469-7281; Online ISSN: 2469-7281: Digital Object Identifier: 10.1109/JRFID.2020.3001336: Published: 2020
Angermayer, A.; Mackensen, E.: Entwicklung eines energieautarken Türschildes mit E-Paper-Display und NFC-Konfigurationsschnittstelle. In: Proceedings of the 63. MPC-Workshop. Mannheim, Februar 2020, IEEE German Section Solid-State Circuit Society, IEEE.

2019

Le, V.; Moser, P.; Lemmer, U.; Mackensen, E.: A Comparison of Printed Flexible RFID/NFC Antennas for a Microelectronic Measurement System. 10th IEEE International Conference on RFID Technology and Applications RFID-TA 2019, September 25-27, 2019, Pisa, Italy
E. Mackensen, A. Rombach, A. Spitznagel, J. Klose: Energy Autonomous Automation of Smart Home Applications Using the Example of a Wireless Indoor Smart Gardening System. 15th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering August 22-26, 2019, Vancouver, BC, Canada
P. Moser, F. Rank, E. Mackensen: Hochminiaturisiertes nicht-invasives Messsystem zur Erfassung von Vitalparametern bei Kleinstlebewesen mit drahtloser RFID-/ NFC-Ausleseschnittstelle. 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2019. Pages 86 - 92. DOI 10.5162/sensoren2019/1.3.3. ISBN 978-3-9819376-0-2
E. Mackensen, A. Rombach, A. Spitznagel, J. Klose: Energieautark arbeitendes Indoor-Smart-Gardening-System mit drahtlosem Monitoring und automatisierter Bewässerung. 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2019. Pages 744 - 750, DOI 10.5162/sensoren2019/P2.15, ISBN 978-3-9819376-0-2

2018

Möhringer, S.; Moser, P., Mackensen, E.: Indoor Smart Gardening based on an Energy Autonomous Wireless Network Platform. In: Proceedings of the Wireless Congress: Systems & Applications 2018. München, 14.-15.11.2018
Le,V., Mackensen, E.: Stand der Technik von Powermanagement-ASICs für gedruckte Energy Harvester. In: Proceeding of the 59. MPC-Workshop. Offenburg, Februar 2018. Pages 73-78. ISSN 1868-9221

2017

Werner, A.; Moser,P.; Mackensen, E: Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Property) in FPGAs. In: Proceeding of the 58. MPC-Workshop. Reutlingen, Juli 2017. Pages 19-26. ISSN 1868-9221

2015

Bhattacharyya, M.; Dusch, B.; Jansen, D.; Mackensen, E.: Design and Verification of a Mixed-Signal SoC for Biomedical Applications. In: Proceeding of the 54. MPC-Workshop. Ulm, Juli 2015. Pages 43-38. ISSN 1868-9221
Wendt T., Volk F., Mackensen E., LoRaTM - eine sichere Funktechnik mit 2,45 GHz Proceeding, Kongress: Forum Funktionale Sicherheit, Hilton Munich Airport, 7.-9. Juli 2015, S. 1-6
Wendt, T. M.; Volk F.; Mackensen, E.; A benchmark survey of Long Range (LoRaTM) Spread-Spectrum-Communication at 2.45 GHz for safety applications. In: Proceedings of the 16th IEEE MTT-S WAMICON, Wireless and Microwave Technology Conference (IEEE WAMICON-2015). Cocoa Beach, Florida, USA, APR 2015
Mackensen, E.; Lurz, C.; Reichert, A., Köbler J.: Enhancing the motivation and success of freshman students in interdisciplinary engineering degree programs. In: Proceedings of the IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). Tallin, March 2015, Pages: 659 – 667
Wendt, T. M.; Volk F.; Mackensen, E.; Wireless in Safety Critical Applications - benchmarking of Long Range (LoRaTM) Spread – Spectrum - Communication at 2.45 GHz. In: Proceedings of 14th IEEE ANNUAL WIRELESS TELECOMMUNICATIONS SYMPOSIUM (WTS 2015). New York City, NY, USA, APR 2015

2014

Mackensen, E.; Lurz, C.; Reichert, A.: Fit4PracSis: A compe-tence-, business- and science-orientated education approach for freshman stu-dents in interdisciplinary degree programs. In: Proceedings of the IEEE Interna-tional Conference on Teaching, Assessment and Learning for Engineering (TALE). Wellington, December 2014, Pages: 109 – 114
Wendt T. M.; Volk F.; Mackensen, E.: A benchmark analysis of Long Range (Lo-RaTM) Communication at 2.45 GHz for safety applications. In: Wireless Congress 2014: Systems & Application, Conference Proceedings, ICM - International Con-gress Center München, Munich, Germany, November 2014, Pages: 1 - 4

2012

Mackensen, E.; Lai, M.; Wendt, T. M.: Bluetooth Low Energy (BLE) based wireless sensors. In: Proceedings of the IEEE Sensors. Taipei, 2012 - ISBN 978-1-4577-1765-9
Mackensen, E.; Lai, M.; Wendt, T. M.: Performance Analysis of an Bluetooth Low Energy Sensor System. In: Proceedings of the 1st IEEE Symposium on Wireless Systems within the Conferences on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS-SWS’2012). Offenburg, 2012 - ISBN 978-1-4673-4677-1
Mackensen, E.; Wendt, T. M. : Energy-Harvesting-basierte Energieversorgungen für drahtlose Sensor-Systeme: Analyse kommerziell verfügbarer Lösungen und daraus abgeleitete Design-Konzepte. In: WEKA Fachmedien GmbH (Hrsg.): 1. Elektronik energy harvesting congress 2012, Tagungsunterlagen. München: WEKA Fach-medien GmbH, 2012. – ISBN 978-3-645-50076-0

2010

Mackensen, E.; Wendt, T. M. : Anwendung von SysML und Agilen Entwicklungsme-thoden bei der Entwicklung von Embedded Systemen. In: Design&Elektronik Ent-wicklerforum Embedded-System-Entwicklung. Tagungsunterlagen. München 2012
Wendt, T. M.; Mackensen, E.; Fehrenbach, M. (NewTec GmbH System-Entwicklung u. Beratung), Moosmann, C.; Laux, O.; Kurth, M. (A. Raymond GmbH & Co. KG, Lörrach): Energieautarkes drahtloses Sensormikrosystem im 2,45-GHz-Band für raue Betriebsumgebungen auf Basis eines kinematischen Energiewandlers. In: ITG ; GMM ; GMA ; AMA (Hrsg.): Sensoren und Messsysteme 2010. Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 2010. - ISBN 978-3-8007-3260-9