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Forschungsbereich B: Diagnose, Test und Zuverlässigkeit


Der verlässliche Betrieb eingebetteter Mikrosysteme erfordert Methoden zur Analyse ihres momentanen Zustands und zur Evaluation ihres zu erwartenden Verhaltens. Dies betrifft analoge Sensorkomponenten ebenso wie digitale Systemblöcke. Entsprechende Diagnose- und Testmethoden werden in diesem Bereich entwickelt. Ferner ist die Frage nach der Kompensation einer möglichen partiellen Fehlfunktion von Komponenten des eingebetteten Mikrosystems damit verbunden.

Projekte im Forschungsbereich B "Diagnose, Test und Zuverlässigkeit":

B.1
Defektbasierte Testmethoden für digitale Komponenten – Resistive Unterbrechungen
B.2
Selbstdiagnose und -kalibration von eingebetteten Mikrosystemen
B.3
Robuste Algorithmen bei nicht fehlerfreien Ressourcen – Bildverarbeitung

B.1   Defektbasierte Testmethoden für digitale Komponenten – Resistive Unterbrechungen


Eingebettete Mikrosysteme kommen in zahlreichen kritischen Komponenten der Versorgungs-, Energie-, Transport- und Telekommunikationsinfrastruktur zum Einsatz. Die Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit sind daher sehr hoch. Durch die aktuellen Nanoscale-Fertigungstechnologien können in ihren digitalen Komponenten marginale Defekte auftreten, die von derzeitigen Testmethoden nur sehr ungenügend abgedeckt werden. Besteht eine integrierte Schaltung mit einem solchen Defekt den Fertigungstest, so ist ihr sicherer Betrieb nicht gewährleistet.

Eine der wichtigsten Defektklassen stellen resistive Unterbrechungen (Opens) auf Interconnects dar. Sie werden zum einen durch Verformungen von Leitungen auf Metallisierungsschichten einer Schaltung, zum anderen durch Depositionsprobleme bei der Herstellung von Durchkontaktierungen (Vias) hervorgerufen. Im Gegensatz zu vollständigen Unterbrechungen (Full Opens), welche das Interconnect in zwei elektrisch isolierte Teile aufteilen, besteht bei einem resistiven Unterbrechungsdefekt ein ohmiger Kontakt zwischen den beiden Teilen, was zu nichttrivialen elektrischen Interaktionen führt.

Im Rahmen des Projekts soll, auf elektrischen Simulationen aufbauend, zunächst ein allgemeiner Modellierungsansatz für Schaltungen mit resistiven Unterbrechungen entwickelt werden. Auf der Basis dieser Modellierung sollen effiziente Algorithmen zur Simulation defektbehafteter Schaltungen, zur automatischen Generierung von Testmustern für gezielte Entdeckung von resistiven Unterbrechungen sowie Diagnose solcher Defekte entstehen. Da eingebettete Mikrosysteme in ihren Einsatzfeldern zum Teil extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, ist auch die Untersuchung von Parametern wie Umgebungstemperatur und Spannungsschwankungen auf das Defektverhalten vom Interesse.

Testsystem

Abb. B.1: Im Rahmen des Graduiertenkollegs gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Oliver Paul entwickeltes Testsystem zur simultanen elektrischen und mechanischen Stimulation von MEMS.

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Becker
Lehrstuhl für Rechnerarchitektur
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 051, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8141 | Fax: 0761-203-8142 | E-Mail

B.2   Selbstdiagnose und -kalibration von eingebetteten Mikrosystemen


Die Kalibrierung, Fehlerdiagnose und Nachkalibrierung eingebetteter Mikrosysteme ist eine aufwändige und kostenintensive Tätigkeit, die kaum zu vermeiden, hoffentlich aber zu vereinfachen ist. In diesem Projekt sollen Methoden zur Selbstkalibration von Mikrosystemen entwickelt werden durch die Beantwortung der Frage, in wieweit die Mikrosystemsensitivität nur durch Nutzung innerer Wirkungen, d.h. ohne externes Eingangssignal, bestimmt werden kann. Des weiteren sollen Methoden zur Überwachung des Drift eines Mikrosystems, insbesondere zur Früherkennung eines sich ankündigenden Versagens untersucht und entwickelt werden. Ferner wird die übergeordnete Frage gestellt, wie klein ein minimaler Kern eines Mikrosystems sein muss, dessen Funktionalität noch extern überprüft werden muss, der selbst aber in der Lage ist, die Funktionalität des restlichen Systems im eingangs genannten Sinn zu überprüfen.

Sensorphysikalische Einsichten sind die Grundbedingung für die Formulierung effizienter Diagnosestrategien, aus welchen sich Teststrategien und im Idealfall auch Kalibrierstrategien ableiten lassen. Die hier gewählte Vorgehensweise soll die Grundlage für die Entwicklung von Diagnose- und Kalibrationsstrategien für die resonanten Sensoren aus Projekt C.1 "Magnetfeldsensorsysteme für die Lokalisierung" sowie die Strömungssensoren aus Projekt C.4 "Thermische Mikrosysteme für die medienunabhängige Strömungs- und Gassensorik" bilden, die in Zusammenarbeit mit diesen Projekten erarbeitet werden sollen.

Kontakt:
Prof. Dr. Oliver Paul
Lehrstuhl für Materialien der Mikrosystemtechnik
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7191 | Fax: 0761-203-7192 | E-Mail

B.3   Robuste Algorithmen bei nicht fehlerfreien Ressourcen – Bildverarbeitung


In eingebetteten Mikrosystemen ist neben der Erfassung von Sensordaten vielfach auch ihre (Weiter-)Verarbeitung durch Algorithmen, die auf den Sensorknoten selbst lauffähig sind, wünschenswert oder sogar erforderlich. Eine korrekte Ausführung der Algorithmen ist wesentlich, andererseits ist die Hardware, auf der die Algorithmen ablaufen, nicht notwendigerweise zuverlässig. So kann eine Schaltung durch adverse Umweltbedingungen oder auch durch aggressive Spannungsabsenkung mit dem Ziel der Energieeinsparung in einen instabilen Operationsbereich geraten. Es stellt sich also die Frage, wie trotz dieser Unwägbarkeiten die Korrektheit und hinreichende Performanz der Verfahren gewährleistet werden kann.

Im Rahmen des Teilprojektes soll dieses Frage für bildverarbeitende Algorithmen, wie sie z.B. in der Robotik eingesetzt werden, näher untersucht werden. Viele bildverarbeitende Algorithmen sind inhärent fehlertolerant. In wieweit diese Eigenschaften auch Robustheit bei potentiell unzuverlässigen Berechnungsknoten gewährleisten, ist zu klären. Es ist zu erwarten, dass ein gewisser Anteil von Fehlern „akzeptabel“ sein wird, d.h. den Betrieb des eingebetteten Systems nicht beeinträchtigen wird. Eine weitere Klasse von Fehlern kann zu „kritischen“ Ausfällen führen, die auf Hardware-, Software- oder Systemebene detektiert und korrigiert werden müssen. Dabei muss die Korrektur lediglich akzeptables Verhalten und nicht notwendigerweise das Referenzverhalten herstellen. Die Zielsetzung des Vorhabens besteht darin, einen Mix von Maßnahmen auf unterschiedlichen Ebenen auszuwählen, der unter Ressourcenbeschränkungen (Echtzeitbedingungen, maximaler Energieverbrauch) eine annehmbare Funktionsfähigkeit des Systems gewährleistet. Eine weitere, wichtige Frage in diesem Kontext ist, auf welche Weise sich die auftretenden Fehler detektieren und gegebenenfalls auch modellieren lassen. Auf der Basis von geeigneten Modellen können beispielsweise genauere Schätzungen erreicht oder relevante Features besser extrahiert werden.

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Becker
Lehrstuhl für Rechnerarchitektur
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 051, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8141 | Fax: 0761-203-8142 | E-Mail

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