Entwicklungsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf von Mikrokomponenten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Konstruktionsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf mikromechanischer Komponenten auf der Grundlage des naßchemischen, anisotropen Tiefenätzens von monokristallinem Silizium entwickelt. Die Inhalte spannen einen Bogen vom Stand der Konstruktionsmethodik mikrotechnischer Systeme über die Konzeption und Implementierung einer neuen Entwurfssystematik bis hin zu deren Einsatz im Entwurf einer komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur. Das Konzept der Umgebung trägt der Tatsache Rechnung, daß bislang kaum standardisierte mikrotechnische Bauteile am Markt verfügbar sind und sich daher primär die Aufgabe einer Neukonstruktion und Charakterisierung seiner Funktionskomponenten stellt. Die Komplexität und Heterogenität mikrotechnischer Bauelemente verhinderte bislang die einheitliche und überschaubare Integration einer rechnerunterstützten Entwicklung mikrotechnischer Komponenten und Systeme. Dem Funktionskonzept des mikrotechnischen Bauteils steht zudem vielfach ein restriktiver Einfluß der Fertigungstechnologie auf den Gestaltungsraum gegenüber. Die derzeit praktizierte, analytische Entwurfsmethodik, ausgehend vom Layout einer zweidimensionalen Maske auf die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur zu schließen, ist daher schwierig und fehlerträchtig. Im Fall des anisotropen Ätzens gilt dieses insbesondere für komplexe Strukturen, deren Form nicht direkt aus dem Si-Kristall abgeleitet werden kann. In der Entwurfspraxis führt dies häufig zu einer Einengung des theoretisch nutzbaren Gestaltungsraums. Vor diesem Hintergrund realisiert die Konstruktionsumgebung folgende Zielsetzungen: - anwendergerechte Abbildung und Steuerung des Entwurfsablaufs anisotrop geätzter Mikrostrukturen und Dekomposition der Entwurfsaufgabe im Rahmen eines einheitlichen Integrationskonzepts der vorhandenen Entwurfswerkzeuge sowie Unterstützung einer kooperativen Aufgabenbearbeitung der Entwurfsaufgabe auf der Basis eines Workflow-Managementsystems. Das workflowbasierte Organisationskonzept der Umgebung unterstützt die einheitliche Integration weiterer domänenspezifischer Konstruktionsabläufe. - Verbesserung der Gestaltungsmethodik mikromechanischer Funktionskomponenten und Erweiterung des technologischen Anwendungsspektrums der anisotropen Ätztechnik durch die teilweise Umkehrung des klassischen Entwurfs-Grundformalismus. Grundlage ist die Entwicklung eines neuenWerkzeugs zur automatisierten Synthese lithographischer Maskenlayouts aus der 3DKomponentenbeschreibung (Layoutsynthese) auf der Basis genetischer Algorithmen. Die Layoutsynthese nutzt hierzu einen in die Konstruktionsumgebung integrierten Ätzsimulator. Das Programmsystem ist langfristig auf die Angliederung weiterer, lithographieorientierter Prozeßsimulationen ausgelegt. - Implementierung eines durchgängigen Informationsflusses im Entwurfsprozeß, ausgehend von der funktionalen Konzeption bis hin zur strukturellen Verifikation des Bauteils. Die Realisierung erfolgt im wesentlichen durch die Entwicklung einer Transformation der Ätzsimulationsergebnisse in ein Geometriemodell der Finite-Elemente-Methode auf der Grundlage rekursiver Octree- Datenstrukturen. Der Ansatz schließt die Lücke in der von der Entwurfssystematik unterstützten Wechselbeziehung einer zugleich technologie- und strukturorientierten Gestaltentwicklung mikromechanischer Funktionselemente. Zur Demonstration der Effektivität der Konstruktionsumgebung wird anhand des Entwurfs eines aus Sicht der Prozeßtechnik komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur der Nutzen der Entwurfsmethodik und seiner Implementierung im Rahmen der vorliegenden Konstruktionsumgebung nachgewiesen. Die simulatorischen und technologischen Ergebnisse des Beispiels verdeutlichen insbesondere die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten anisotrop geätzter Mikrostrukturen

Smarte Sicherungslogik für das Stellwerk der nächsten Generation

Kapazitätssteigerungen, eine höhere Pünktlichkeit und eine Steigerung der Rollout-Geschwindigkeit von innovativen Technologien im Bereich der Leit- und Sicherungstechnik gehören zu den zentralen Herausforderungen, vor denen die Eisenbahn als Kernbaustein einer nachhaltigen Mobilität steht. Hierzu wird medial und auch in der Fachwelt der Einführung des Europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS eine wichtige Rolle zugesprochen. Erste Praxiserfahrungen zeigen jedoch, dass die isolierte Einführung von ETCS zur Erzielung der gewünschten positiven Effekte auf den Eisenbahnbetrieb nicht ausreichend ist. Stattdessen muss die Leit- und Sicherungstechnik im Systemverbund weiterentwickelt werden. Neben beispielsweise einer hinreichend genauen Ortung und einer leistungsfähigen Kommunikationstechnologie ist auch eine optimierte Sicherungslogik im Stellwerk, die optimal auf die Anforderung der zukünftigen Systemlandschaft abgestimmt ist, von zentraler Bedeutung. Die Sicherungslogik ist dabei für die sichere und effiziente Zuweisung von Infrastrukturressourcen an Zugfahrten verantwortlich und überwacht sicherheitskritische Zustandsänderungen auf Seiten der Eisenbahninfrastruktur. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Ansatz für eine solche „smarte“ Sicherungslogik unter der Bezeichnung „smartLogic“ von Grund auf (Grüne Wiese) systematisch entwickelt. Die smartLogic basiert dabei auf einem generischen und topologieunabhängigen Ansatz, der es unter anderem ermöglicht, Gleise in beliebiger Ausdehnung zu belegen und freizugeben, zusätzliche Sicherheitsanforderungen zur Laufzeit der Sicherungslogik in die Logik zu integrieren und auf Basis der zur Verfügung stehenden Informationen über die aktuelle Betriebssituation risikobasiert über die Zulassung von Zugfahrten zu entscheiden. Parallel zur Arbeit ist eine pretotypische Software-Implementierung der smartLogic im Eisenbahnbetriebsfeld Darmstadt entstanden. Erste Kapazitätsuntersuchungen unter deren Nutzung zeigen, dass signifikante Zeiteinsparungen durch die smartLogic erzielbar sind, die zu einer deutlichen Erhöhung der Kapazität oder der Pünktlichkeit, insbesondere in Knotenbereichen, beitragen können