Elektrotechnik und Informationstechnik

Die Abteilung „Elektrotechnik und Informationstechnik“ (EIT) widmet sich schwerpunktmäßig den Forschungsbereichen Energietechnik, Medizintechnik, Terahertz-Systeme, sowie der Mikroelektronik und Photonik. Dabei arbeiten die 24 Professor*innen mit dem Duisburger Fraunhofer-Institut Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), dem Forschungszentrum Jülich, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Köln sowie der IMST GmbH in Kamp-Lintfort zusammen.

Höhepunkte der Forschung

Zu den erfolgreichsten Aktivitäten der medizintechnischen Forschung gehört im FG Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) die Entwicklung einer ultrabreitbandigen, selbstangepassten Hochfrequenzspule für die funktionale 7-Tesla-Magnetresonanztomographie (MRT). Die Spule basiert auf einem Leckwellenansatz und erlaubt die simultane Anregung von Kernresonanzen mehrerer Elemente. Die Ergebnisse wurden zur Publikation in Nature Communications akzeptiert. Das FG Elektronische Bauelemente und Schaltungen (EBS) konnte im vom BMBF geförderten interdisziplinären Graduiertenkolleg „PAnalytics“ eine nichtinvasive, tragbare Sensorik zur Bestimmung des Gemütszustands von Menschen entwickeln. Der Clou des Projektes „DeePPG“ ist die tiefenselektive lichtbasierte Erfassung der Pulstransitzeit des Bluts im Gefäßsystem an einem Messort. Die Pulstransitzeit ist ein Basisparameter der nichtinvasiven Gemütszustands- und Blutdruckmessung. Im Kontext des Fakultätsschwerpunkts Tailored Materials werden im Projekt „EWALD“ innovative, auf Atomlagenabscheidung gestützte Methoden zur Oberflächenbeschichtung und -strukturierung erforscht, mit denen das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten lokal elektrisch beeinflusst werden kann. Damit können kleinste Flüssigkeitsmengen auf Oberflächen manipuliert werden, z.B. in der Mikro-Labordiagnostik.

Im Bereich mobiler Funk- und Terahertzsysteme hat das FG Kommunikationstechnik (KT) drahtlose Ad-Hoc-Netze für die Notfallkommunikation entwickelt, sicherheitsrelevante Anwendungen mit drahtloser Schallübertragung digitaler Informationen erforscht und den zugehörigen akustischen Übertragungskanal vermessen. Das FG ATE hat im Rahmen des SFB/TRR 196 „MARIE“ einen roboterisierten sphärischen Antennenmessplatz für Millimeterwellen entwickelt. Dieser weltweit einzigartige Messplatz soll mittelfristig für einen Betrieb bei 500 GHz ausgebaut werden. Dem FG Optoelektronik (OE) gelang die Entwicklung eines Terahertz-Bildgebungssystems, basierend auf photonischen Ansätzen. Dieses System weist das niedrigste Phasenrauschen aller bislang bekannten Frequenzbereichssysteme im Terahertzbereich auf und wurde mit einem IEEE Best Paper Award ausgezeichnet. Weiterhin wurden erstmals Millimeterwellen- und Terahertz-Funksysteme mit einer spektralen Effizienz von etwa 8 bit/s/Hz demonstriert, so dass Übertragungsraten von 100 Gbit/s in einem in den USA bereits lizensierten Frequenzband erreicht werden konnten. Einen Meilenstein für die zukünftige Anwendung in der Terahertz-Kommunikation stellt die im FG OE entwickelte Terahertz-Strahlsteuerung mit Chip-integrierten Antennenelementen dar.

Im Bereich der Mikro-, Nano- und Optoelektronik wurde das FG Werkstoffe der Elektrotechnik (WET) mit der Berufung von Franziska Muckel um eine Junior-Professur für Elektroenergetische Funktionsmaterialien erweitert. Im Forschungsschwerpunkt Taylored Materials leitet Prof. Einar Kruis vom FG Nanostrukturtechnik (NST) Projekte in der Forschungsgruppe FOR 2284 „Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel“ sowie im DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1980 „SpraySyn“. Das FG OE war erfolgreich bei der Einrichtung von TERAOPTICS, einer europäischen Graduiertenschule zum Thema Terahertz-Photonik. Das Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) an der UDE koordiniert die europäische Graduiertenschule bis 2023.

Im Bereich der Energietechnik wurde das FG Elektrische Energiesysteme (EES) im Oktober 2019 mit der Berufung von Prof. Hendrik Vennegeerts neu besetzt. Hier wurde zur praxisnahen Simulation zukünftiger Regelungs- und Betriebsführungskonzepte des kontinentaleuropäischen Elektrizitätsversorgungssystems im vom BMWi geförderten Projekt NEXTGRID ein Testlabor für Power-Hardware-in-the-Loop in Betrieb genommen. Große Teile des Systems können dabei in Echtzeit auf einem dafür zugeschnittenen Rechner simuliert werden, über eine Verstärkerschnittstelle werden aber auch maßstabsgetreue Systemkomponenten wie Windenergieanlagen, Photovoltaik-Anlagen und Batteriespeicher eingebunden. Damit wird der Praxisnachweis ermöglicht, dass die Betriebskonzepte und die am FG entwickelten Regelungen auch bei Latenzen in der Kommunikation und Messfehlern stabil arbeiten. Aktivitäten im Bereich Thermoelektrik werden durch eine engere Zusammenarbeit mit dem DLR in Köln durch eine neu geschaffene Juniorprofessur gestärkt. Zusammen mit der Fakultät für Physik und dem FG NST wurden Konzepte zur Hochtemperaturthermoelektrik im Vergleich zur Thermophotovoltaik auf ihre physikalischen Grenzen hin untersucht. Das vom BMBF geförderte und vom FG Energietransport und -speicherung (ETS) in Kooperation mit einem mittelständischen Unternehmen durchgeführte Projekt EStroS wurde erfolgreich abgeschlossen. Ziel waren die Grundlagen und Realisierung eines Messsystems für die hochgenaue Erfassung großer Ströme (6 kA) mit Frequenzen bis zu 100 kHz. Die Ergebnisse ermöglichen bessere Regelung und Schutz von Hochspannungsgleichstrom-Energieübertragungssystemen.

Im Bereich des Fakultätsschwerpunkts Smart Engineering hat das FG Automatisierungstechnik und komplexe Systeme (AKS) seine Forschung verstärkt auf Cyberphysical Systems mit eingebetteten Smart-Komponenten und verteilten System- und Informationsinfrastrukturen fokussiert. Das FG arbeitet erfolgreich im Verbundforschungsprojekt „GreenEnergyFirst“ zur Entwicklung neuartiger Konzepte und Methoden für energieoptimierte Smart-Buildings.

Kooperation und Internationales

Die Wissenschaftler*innen der Abteilung EIT arbeiten unmittelbar mit einer Vielzahl von Partnern aus Forschung und Industrie international zusammen. National wie weltweit sind hier die folgenden akademischen und industriellen Partner zu nennen: Rohde & Schwarz, Deutsche Bahn, ESA, II-VI, VODAFONE, Nokia, CORNING, SIKLU, THALES, DAS Photonics und RAL. So werden nicht nur die Photonik-Entwicklungen für 5G im europäischen EUIMWP-COST-Netzwerk mit über 50 internationalen Partnern von Duisburg aus koordiniert, sondern auch die erste von der UDE koordinierte Graduiertenschule mit 15 Doktorand*innen zum Thema Terahertz-Photonik. Das ZHO unterstützt gemeinsame Labore mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenzelektronik in Berlin, der Technischen Universität Darmstadt sowie dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut. Weiterhin bestehen Forschungskooperationen mit der ITMO University in St. Petersburg (Prof. Stanislav Glybovski), dem Klinikum in Utrecht und der TU Eindhoven.

Preise und Auszeichnungen

Prof. Steven X. Ding wurde im Forschungsgebiet „Engineering“ als „Highly cited researcher 2019, 2020“ durch Clarivate Analytics ausgezeichnet.

Der VDE-Promotionspreis 2019 ging an Dr. Franziska Muckel (jetzt Jun.-Prof.) für ihre Dissertation „Magnetisch dotierte Halbleiter-Quantenpunkte aus lösungsmittelbasierter Herstellung: Von der Funktionalität zum Bauelement“.

Den Innovationspreis 2020 der Sparkasse am Niederrhein bekam Dr. Benjamin Willsch für seine Dissertation „Integration of Physically Unclonable Functions (PUFs) in CMOS“.

Der IEEE Best Student Paper Award ging an Sebastian Dülme für seinen Beitrag im Rahmen der International Microwave Photonics Conference 2019.

Prof. Andreas Stöhr wurde als Deutscher Vertreter der International Electrotechnical Commission (IEC) in das technische Komitee für Sendeeinrichtungen in der Radiotelekommunikation (TC103/WG6) berufen.

Transfer und Nachhaltigkeit

2019 gründete sich die Firma airCode UG aus der Abteilung aus. In diesem Startup entwickeln Marc Hoffmann und die Professoren Niels Benson, Daniel Erni, Thomas Kaiser und Roland Schmechel flexible, druckbare, chiplose RFID-Funketiketten mit Si-Nanopartikel-basierten Schottky-Dioden für Arbeitsfrequenzen im Multi-GHz-Bereich. Ein am FG EBS zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, dem Fachverband der HNO-Ärzt*innen NRW und der Gesellschaft für Elektronik und Design mbH entwickeltes neuartiges Trainingsgerät zur Diagnostikunterstützung und Therapie von vestibulärem Schwindel hat nach mehrjähriger Entwicklungs- und Zertifizierungsphase 2020 seine Medizinproduktezulassung erhalten. Die Entstehungsgeschichte von der ersten Idee bis zur Zulassung des ursprünglich mit vom BMWi geförderten, kopfhörerähnlichen Produkts ist ein gelungenes Beispiel für den erfolgreichen Technik- und Know-how-Transfer.

Perspektiven

Mit dem gemeinsamen Antrag „smartBeam“ haben sich die beteiligten FG aus der Abteilung EIT erfolgreich an der ForLab-Ausschreibung im Rahmen der Hightech-Strategie des Bundes beteiligt. Das ZHO wird seit Januar 2019 mit 3,9 Mio. Euro Förderung zum deutschlandweit zentralen Forschungslabor für die Strahlformung in der Hochfrequenzlage (THz-Beamsteering) ausgebaut. Parallel dazu erfolgt durch eine Gesamtförderung von 7,5 Mio. Euro von der EU, dem Land NRW sowie der UDE bis 2022 der Aufbau eines neuartigen Terahertz-Integrationszentrums im selben Gebäude. Hierdurch können zukünftig höchstfrequente elektronische und photonische Schaltkreise integriert werden.

Durch den weiterbewilligten Sonderforschungsbereich/Transregio 196 „MARIE – Mobile Material Characterization and Localization by Electromagnetic Sensing“ ergibt sich für die beteiligten Fachgebiete aus der Abteilung EIT und ihre Kooperationspartner eine langfristige Forschungsperspektive.