Search

This study focuses on enhancing security against invasive attacks on on-chip systems through innovative detector circuitry, even for deep submicron technologies. The introduction of ROPAD has significantly improved detection for regular data buses. Furthermore, ROPAD+ introduces protection for non-equal length bus lines, a novel development. The overarching goal is to fortify security against invasive attacks, simultaneously addressing aging and noise concerns, while preserving data integrity., Diese Studie konzentriert sich auf die Verbesserung der Sicherheit gegen invasive Angriffe auf On-Chip-Systeme durch innovative Detektorschaltungen, auch für tiefe Submikrometer-Technologien. Die Einführung von ROPAD hat die Erkennung für reguläre Datenbusse erheblich verbessert. Darüber hinaus führt ROPAD+ Schutz für Busleitungen unterschiedlicher Länge ein, eine neuartige Entwicklung. Das übergreifende Ziel ist es, die Sicherheit gegen invasive Angriffe zu stärken, gleichzeitig Alterungs- und Rauschprobleme anzugehen und die Datenintegrität zu bewahren.

Chemical Sensing in fluids is challenging due to the sensors' intrinisic complexity and high costs preventing vastly demanded, end consumer applications in the realm of Internet-of-Things (Iot). In this work, additively manufactured, electrochemical sensors for detection of a) bacteria cells and b) ionic species (in the exemplary case of Sodium) in solution are researched and successfully developed., Die Chemie um uns herum ist bisher kaum vermessbar, da mögliche Sensorsysteme zu komplex und zu teuer für die Anwendung sind. In dieser Arbeit werden kosteneffiziente elektrochemische Sensorsysteme zur a) Bakteriendetektion sowie b) Ionenmessung (am Beispiel Natrium) in Flüssigkeiten erforscht, erfolgreich entwickelt und durch additive Fertigung umgesetzt.

This thesis summarizes research and development results of the cooperative project between Technical University of Munich and Texas Instruments Freising on the next generation sensors systems for evaluation of mechanical stress within integrated circuits (ICs) and beyond., Diese Arbeit fasst die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse des Kooperationsprojekts zwischen der Technischen Universität München und Texas Instruments Freising über die Sensorsysteme der nächsten Generation zur Bewertung mechanischer Beanspruchungen innerhalb von integrierten Schaltungen und darüber hinaus zusammen.

This thesis summarizes research and development results of the cooperative project between Technical University of Munich and Texas Instruments Freising on the next generation sensors systems for evaluation of mechanical stress within integrated circuits (ICs) and beyond., Diese Arbeit fasst die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse des Kooperationsprojekts zwischen der Technischen Universität München und Texas Instruments Freising über die Sensorsysteme der nächsten Generation zur Bewertung mechanischer Beanspruchungen innerhalb von integrierten Schaltungen und darüber hinaus zusammen.

This work analyzes the wake-up energy optimization problem for the power management units of ultra-low power systems. The methodology presented in this thesis focuses on the reduction of the output capacitance of inductor-based DC-DC converters. Some design considerations are formulated to highlight the influence of the wake-up energy optimization on the design process. The aforementioned design considerations have been taken into account to build a prototype. The experimental results showed an unprecedented reduction in the wake-up energy consumption., Diese Arbeit analysiert das Problem der Aufwachenergieoptimierung des Versorgungsspannungsmanagements von Systemen mit ultra-niedriger Leistungsaufnahme. Der Fokus der vorgestellten Methode liegt auf der Reduktion der Ausgangskapazität von spulenbasierten Gleichspannungswandlern. Um den Einfluss der Aufwachenergieoptimierung auf den Designprozess hervorzuheben werden einige Designüberlegungen formuliert. Diese wurden auch bei der Entwicklung eines Prototyps berücksichtigt. Die Messergebnisse zeigten eine signifikante Reduktion des Energieverbrauchs während der Aufwachphase.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines multiparametrischen Mikrophysiometers, mit dem die metabolischen und morphologischen Merkmale von Zellen untersucht werden können. Zu diesem Zweck wurden elektrochemische Sensoren in eine 24-fache Mikrotiterplatte integriert, mit der die extrazelluläre Ansäuerungsrate, der zelluläre Sauerstoffverbrauch und die Zelladhäsion gemessen werden kann. Mögliche Sensorinterferenzen und das Auflösungsvermögen wurden in Experimenten untersucht. Mit den erzielten Resultaten können hochempfindliche Mikrophysiometer entwickelt werden, die kleinste Änderungen der Zellphysiologie detektieren., The aim of this work is the development of a multiparametric microphysiometer to study the metabolic and morphological features of cells. For this purpose, a set of electrochemical sensors was integrated into a 24-well microplate to measure extracellular acidification rate, cellular oxygen consumption and cell adhesion. Different possible types of sensor interferences as well as the resolution capacity were investigated experimentally. These findings enable the development of highly sensitive microphysiometers, which can detect even the smallest changes in cell physiology.

Successive Approximation Register (SAR) Analog-to-Digital Converters (ADC) are some of the most efficient ADC topologies available, allowing excellent performance values at low power consumption across a wide range of sampling frequencies. The proposed ADC is aimed at a tactile sensor application, requiring a low-noise and lowpower solution. In addition, it should have high SNDR to detect even the weakest signals with precision. This thesis presents a 12-bit 400 kS/s SAR ADC implemented in a 180 nm CMOS technology for such a task. The designed SAR ADC uses a hybrid R-C DAC topology consisting of a chargescaling MSB DAC and a voltage-scaling LSB DAC, allowing a good trade-off between power consumption, layout area and performance while keeping the total DAC capacitance under reasonable values. Bootstrapped switches have been implemented to preserve high-linearity during the sampling period. A double-tail dynamic comparator has been designed to obtain a low-noise measurement while ensuring suitable delay values. Finally, regarding the logic, an asynchronous implementation and the conventional switching algorithm provide a simple but effective solution to supply the digital signals of the design. Pre-layout noise simulations with input frequencies around 200 kHz show SNDR values of 72.07 dB, corresponding to an ENOB of 11.67 bits. The total power consumption is 365 ?W while the Walden and Schreier figure-of-merit (FoM) correspond to values of 275 fJ/conversion and 160 dB, respectively.

In dieser Arbeit wurden Transmission Line Pulsing (TLP) Verfahren – etablierte Werkzeuge zur transienten Charakterisierung von Halbleiterelementen im Zeitbereich – mit dem Ziel untersucht, schnellschaltende Bauelemente insbesondere im Gebiet der Leistungselektronik zu charakterisieren. Hierbei wurde das neuartige „sensor gap TLP“ Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, dynamische Schaltvorgänge moderner Leistungshalbleiter zu analysieren und dabei sowohl die nötigen lange Pulsdauern ermöglicht, als auch eine Systembandbreite von 10 GHz für die Spannungs- und die Strommessung erreicht., This work examined transmission line pulsing (TLP) methods – established tools for characterizing fast semiconductor devices in the time domain – to analyze the properties of fast-switching devices, especially in the field of power electronics. In this context, the novel “sensor gap TLP” method was developed, which can analyze dynamic switching processes of modern power semiconductor devices with sufficiently long pulses, reaching a system bandwidth of 10 GHz for both voltage and current measurements at the same time.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines multiparametrischen Mikrophysiometers, mit dem die metabolischen und morphologischen Merkmale von Zellen untersucht werden können. Zu diesem Zweck wurden elektrochemische Sensoren in eine 24-fache Mikrotiterplatte integriert, mit der die extrazelluläre Ansäuerungsrate, der zelluläre Sauerstoffverbrauch und die Zelladhäsion gemessen werden kann. Mögliche Sensorinterferenzen und das Auflösungsvermögen wurden in Experimenten untersucht. Mit den erzielten Resultaten können hochempfindliche Mikrophysiometer entwickelt werden, die kleinste Änderungen der Zellphysiologie detektieren., The aim of this work is the development of a multiparametric microphysiometer to study the metabolic and morphological features of cells. For this purpose, a set of electrochemical sensors was integrated into a 24-well microplate to measure extracellular acidification rate, cellular oxygen consumption and cell adhesion. Different possible types of sensor interferences as well as the resolution capacity were investigated experimentally. These findings enable the development of highly sensitive microphysiometers, which can detect even the smallest changes in cell physiology.

Zur bestmöglichen Allokation der Aufmerksamkeit in der Intensivmedizin müssen Risikopatienten frühzeitig identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und klinische Testung eines Frameworks, welches die automatische Berechnung von biosignalbasierten Risikoparametern aus im klinischen Alltag routinemäßig aufgezeichneten Rohdaten von Patientenmonitoren zur Risikostratifizierung ermöglicht., For the best possible allocation of attention in intensive care medicine, high-risk patients must be identified early. The aim of this thesis is the development and clinical testing of a framework that allows the automatic calculation of biosignal-based risk parameters from stored raw data recorded in clinical routine from patient monitors for risk stratification.

This work analyzes the wake-up energy optimization problem for the power management units of ultra-low power systems. The methodology presented in this thesis focuses on the reduction of the output capacitance of inductor-based DC-DC converters. Some design considerations are formulated to highlight the influence of the wake-up energy optimization on the design process. The aforementioned design considerations have been taken into account to build a prototype. The experimental results showed an unprecedented reduction in the wake-up energy consumption., Diese Arbeit analysiert das Problem der Aufwachenergieoptimierung des Versorgungsspannungsmanagements von Systemen mit ultra-niedriger Leistungsaufnahme. Der Fokus der vorgestellten Methode liegt auf der Reduktion der Ausgangskapazität von spulenbasierten Gleichspannungswandlern. Um den Einfluss der Aufwachenergieoptimierung auf den Designprozess hervorzuheben werden einige Designüberlegungen formuliert. Diese wurden auch bei der Entwicklung eines Prototyps berücksichtigt. Die Messergebnisse zeigten eine signifikante Reduktion des Energieverbrauchs während der Aufwachphase.

Zur bestmöglichen Allokation der Aufmerksamkeit in der Intensivmedizin müssen Risikopatienten frühzeitig identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und klinische Testung eines Frameworks, welches die automatische Berechnung von biosignalbasierten Risikoparametern aus im klinischen Alltag routinemäßig aufgezeichneten Rohdaten von Patientenmonitoren zur Risikostratifizierung ermöglicht., For the best possible allocation of attention in intensive care medicine, high-risk patients must be identified early. The aim of this thesis is the development and clinical testing of a framework that allows the automatic calculation of biosignal-based risk parameters from stored raw data recorded in clinical routine from patient monitors for risk stratification.

For AMS (analog-mixed signal) and RF (radio frequency) implementations CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology platforms are the mainstream today. These platforms provide great density and power savings on digital parts on the same chip and, in addition, a good mix of components for analog design. The analog performance of CMOS technology is worse compared to other technology options (e.g. bipolar technology), and its major advantage is the lower total cost of system. Several drawbacks have to overcome to build high performance analog integrated circuits using CMOS technology. One of those drawbacks is the poor 1/f noise property of CMOS technology. Recently, but about ten years after this effect was first reported by Bloom and Nemirovsky of Technion-Israel Institute of Technology in Israel, the AMS/RF engineers began to pay an attention to a device-physics related effect: the periodical on-off switching of a MOSFET between strong inversion and accumulation leads to an anomalous reduction of the intrinsic 1/f noise of those devices. Especially, B. Nauta’s group of Twente University in the Netherlands has been exploring its feasibility in a large signal circuits like VCO’s. Although they seem to be the first to make use of the device-physics for the “real engineering world,” they have not fully exploited the advantage of it. Direct use of the effect based on their evaluations is only feasible for a limited amount of circuits, where a bias current is needed only during certain time intervals or where signal processing is not taking place continuously. The aim of this thesis is to present and to develop a principle for the 1/f noise reduction in linear analog CMOS IC’s, using the known device physics-based effect which is aimed to be used in all kind of circuits including linear and time continuous circuits. This thesis describes the mathematical modeling, physical implementation and experimental demonstration of the principle in the fulfillme, Die Dissertation untersucht ein neues Verfahren zur Reduktion des niederfrequenten Rauschens in linearen analogen CMOS Schaltungen. MOSFETs, welche periodisch zwischen Akkumulation und Inversion geschaltet werden, zeigen ein gegenüber konstanten Arbeitspunkten reduziertes 1/f-Rauschen. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes wird mit Hilfe im Rahmen der Dissertation entwickelter Schaltungstechnik eine Unterdrückung der Rauschleistung von bis zu 8dB erreicht. Die Auswirkungen der dazu notwendigen Eingriffe in eine typische lineare analoge Schaltung werden exemplarisch an einem Miller-Operationsverstärker untersucht. Dabei werden bei richtiger Dimensionierung der Schaltung keine wesentlichen Beeinträchtigungen in den Schaltungsparametern festgestellt. Die für das Verfahren wichtigen Schaltungsparameter werden im Rahmen der Arbeit diskutiert.

For AMS (analog-mixed signal) and RF (radio frequency) implementations CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology platforms are the mainstream today. These platforms provide great density and power savings on digital parts on the same chip and, in addition, a good mix of components for analog design. The analog performance of CMOS technology is worse compared to other technology options (e.g. bipolar technology), and its major advantage is the lower total cost of system. Several drawbacks have to overcome to build high performance analog integrated circuits using CMOS technology. One of those drawbacks is the poor 1/f noise property of CMOS technology. Recently, but about ten years after this effect was first reported by Bloom and Nemirovsky of Technion-Israel Institute of Technology in Israel, the AMS/RF engineers began to pay an attention to a device-physics related effect: the periodical on-off switching of a MOSFET between strong inversion and accumulation leads to an anomalous reduction of the intrinsic 1/f noise of those devices. Especially, B. Nauta’s group of Twente University in the Netherlands has been exploring its feasibility in a large signal circuits like VCO’s. Although they seem to be the first to make use of the device-physics for the “real engineering world,” they have not fully exploited the advantage of it. Direct use of the effect based on their evaluations is only feasible for a limited amount of circuits, where a bias current is needed only during certain time intervals or where signal processing is not taking place continuously. The aim of this thesis is to present and to develop a principle for the 1/f noise reduction in linear analog CMOS IC’s, using the known device physics-based effect which is aimed to be used in all kind of circuits including linear and time continuous circuits. This thesis describes the mathematical modeling, physical implementation and experimental demonstration of the principle in the fulfillme, Die Dissertation untersucht ein neues Verfahren zur Reduktion des niederfrequenten Rauschens in linearen analogen CMOS Schaltungen. MOSFETs, welche periodisch zwischen Akkumulation und Inversion geschaltet werden, zeigen ein gegenüber konstanten Arbeitspunkten reduziertes 1/f-Rauschen. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes wird mit Hilfe im Rahmen der Dissertation entwickelter Schaltungstechnik eine Unterdrückung der Rauschleistung von bis zu 8dB erreicht. Die Auswirkungen der dazu notwendigen Eingriffe in eine typische lineare analoge Schaltung werden exemplarisch an einem Miller-Operationsverstärker untersucht. Dabei werden bei richtiger Dimensionierung der Schaltung keine wesentlichen Beeinträchtigungen in den Schaltungsparametern festgestellt. Die für das Verfahren wichtigen Schaltungsparameter werden im Rahmen der Arbeit diskutiert.