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Bei der Herstellung von Leistungselektronik ist die Qualität und Zuverlässigkeit ein wichtiger Faktor. Vor allem die Verbindungsschicht zwischen dem Chip und dem keramischen Substrat weist häufig Defekte auf, die die Wärmeableitung in diesen Bereichen verringern können. Dies kann zu einer Überhitzung führen und die Lebensdauer des Bauteils verringern. Im schlimmsten Fall können solche Fehler große Auswirkungen auf sicherheitsrelevante Systeme haben. Daher ist eine Qualitätskontrolle innerhalb der Produktionslinie bzw. vor der Verpackung der Bauteile sehr wichtig. Die Laser-Speckle- Photometrie (LSP) bietet eine vielversprechende Lösung für dieses Problem. Speckle-Muster werden durch interferierende Lichtwellen erzeugt, die von der beleuchteten Oberfläche reflektiert werden. Das Verhalten dieser Muster ist eng mit dem Oberflächenzustand der untersuchten Proben verbunden. In diesem Beitrag wird ein auf der LSP basierendes Qualitätskontrollkonzept für den Produktionsprozess von Leistungselektronik-Chips für die Automobilindustrie vorgestellt. Ziel ist es, die Hohlräume in der Lötverbindung zu finden und zu bewerten und darüber hinaus die Porosität in gesinterten Verbindungen zu bestimmen. Insbesondere die Größe und Lage dieser Hohlräume sind von großem Interesse. Erste Untersuchungen haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt und Defekte mit einer Größe von weniger als 15 % (v/v) der eigentlichen Verbindungsschicht gefunden. Dies beweist, dass die LSP ein vielversprechender Ansatz zur Überprüfung der Verbindungsqualität von Chips bei der Herstellung von Leistungselektronik ist.

Die weiche Robotik ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, und dielektrische Elastomeraktoren (DEAs) haben sich als vielversprechend im Bereich der Aktorkonzepte herausgestellt. Ein neuartiger Ansatz zur Steigerung der Kraftwirkung der DEAs besteht darin, anisotrope Schichten, wie beispielsweise Fasern, in die Aktoren zu integrieren. Insbesondere Carbonfasern zeichnen sich durch ihre hohe Steifigkeit und elektrische Leitfähigkeit aus und dienen nicht nur als effektive Verstärkung, sondern können auch als Material für die Elektroden der Aktoren genutzt werden. Darüber hinaus lassen sich die Elektroden der DEAs zur Selbstüberwachung nutzen, indem sie zusammen mit dem Dielektrikum als resistive oder kapazitive Sensoren eingesetzt werden. Trotz der verschiedenen Methoden, die für die Implementierung von Sensor- und Regelungsfunktionen vorgeschlagen wurden, gibt es noch eine Lücke im Verständnis der piezoresistiven Eigenschaften von carbonfaserverstärkten DEAs. In dieser Arbeit werden diese für carbonfaserverstärkte und kohlenstoffpartikelbasierte Elektroden untersucht, um den Unterschied zwischen konventionellen und den neuen, verstärkten Elektroden zu vergleichen. Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchung ist die unerwartete inverse piezoresistive Kopplung der carbonfaserverstärkten Elektroden nach einem ersten Belastungszyklus. Dieses antipropotionale Dehnungs-Widerstandsverhalten ist im Anschluss über die weiteren Zyklen ebenfalls vorhanden. Darüber hinaus dominiert der geringere spezifische Widerstand der Carbonfasern das gesamte Widerstandsverhalten der Elektroden gegenüber dem reinen, partikelgefüllten Elastomer.

A recent study unveiled the potential of acrylamide-based stimulus-responsive hydrogels for volatile organic compound detection in gaseous environments. However, for gas sensing, a large surface area, that is, a highly porous material, offering many adsorption sites is crucial. The large humidity variation in the gaseous environment constitutes a significant challenge for preserving an initially porous structure, as the pores tend to be unstable and irreversibly collapse. Therefore, the present investigation focuses on enhancing the porosity of smart PNiPAAm hydrogels under the conditions of a gaseous environment and the preservation of the structural integrity for long-term use. We have studied the influence of polyethylene glycol (PEG) as a porogen and the application of different drying methods and posttreatment. The investigations lead to the conclusion that only the combination of PEG addition, freeze-drying, and subsequent conditioning in high relative humidity enables a long-term stable formation of a porous surface and inner structure of the material. The significantly enhanced swelling response in a gaseous environment and in the test gas acetone is confirmed by gravimetric experiments of bulk samples and continuous measurements of thin films on piezoresistive pressure sensor chips. These measurements are furthermore complemented by an in-depth analysis of the morphology and microstructure. While the study was conducted for PNiPAAm, the insights and developed processes are general in nature and can be applied for porosity engineering of other smart hydrogel materials for VOC detection in gaseous environments.

Plasmonic sensors based on nanostructured metal substrates offer a promising solution for on-site implementation and continuous monitoring of process liquids due to their compact design, cost-effectiveness, and rapid sensor response. The sensors are qualified for the functionalization with biological recognition elements and thus for biosensing. A functionalization with stimulus-responsive hydrogels further enhances their utility by enabling selective determination of specific substances in complex solutions. However, challenges arise in accurately interpreting the sensor signals due to the nonlinearity between the swelling curve of the hydrogel and the sensor signal and due to interferences from nontarget substances. An important objective of this study is to develop a methodology to accurately determine the concentration of a target substance in a multicomponent solution, eliminating the influence of interfering substances. For this, it is imperative to enhance the comprehension of the system, elucidating the impact of the hydrogel’s swelling state and the composition on the sensor signal. An analytical model is presented, conveying a linear relationship between the sensor signal and the volume fraction of each constituent in the hydrogel. Based on the proposed model, a novel difference method is established to eliminate the influence of interfering substances, particularly at low concentrations of interfering substances. In a proof-of-concept, using an ethanol-sensitive hydrogel for detection of ethanol in aqueous ethanol–glucose solution, the method was validated, showing a negligible impact of glucose concentration on the result.

Brechzahlsensitive plasmonische Sensoren mit nanostrukturierten Goldoberflächen bieten viele Vorteile für die kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung in komplexen Prozessflüssigkeiten. In Kombination mit stimulus-responsiven Hydrogelen haben diese Potential für die selektive Detektion von Einzelparametern, hier der Ethanolkonzentration, bei sich gleichzeitig ändernden Stoffkonzentrationen anderer Komponenten. Ein erster Schritt zur Ausnutzung dieser selektiven Eigenschaften ist die Differenzierung des ethanolinduzierten Quelleffekts im eingesetzten Polyacrylamid-Hydrogel von der Brechzahländerung der zu analysierenden Flüssigkeit in Folge von Konzentrationsänderungen. Dies wurde durch die Anwendung einer mit Hydrogel funktionalisierten Messfläche und einer nicht funktionalisierten Referenzfläche erreicht. Das hier vorgestellte Sensorkonzept ermöglicht so die Bestimmung der Ethanolkonzentration wässriger Lösungen zwischen 40 und 60 vol%. Dabei wird gezeigt, dass von der Entquellung des Hydrogelvolumens nicht direkt auf das oberflächennahe Verhalten geschlossen werden kann, sondern eine individuelle Kalibrierung des optischen Signals notwendig ist.

Elastomers with a percolative network of carbon particles are a frequently studied class of materials for applications requiring high elongation and compliant sensors. For novel applications such as soft robots or smart textiles, these have some advantages over traditional strain gauges. However, their functionality is not fully understood. In this work, such materials are investigated as strain sensors in terms of their dynamic behavior, and their current limitations are demonstrated. It becomes clear that such sensors exhibit a non-monotonic behavior under dynamic loads that differs significantly from that observed in quasi-static tests. Two strategies for improving sensor characteristics are derived, modeled, and experimentally tested using the results and an electro-mechanical network model. First, a melt-spinning process that orients the carbon nanotube particles in the process direction creates different degrees of anisotropy. Second, to generate a local negative transverse contraction, an additional auxetic support structure is used. While the resulting anisotropy is insufficient to improve sensor properties, the auxetic structure can significantly improve strain sensitivity.

This letter reports multi-level-cell (MLC) operation of ferroelectric FETs (FeFET) arranged in AND-connected memory arrays with a bit-error rate (BER) of 4% when writing a random data pattern. The FeFETs with HfO2 have been embedded in GlobalFoundries 28 nm bulk high-k metal gate (HKMG) technology and are based on a metal-ferroelectric-isolator-semiconductor (MFIS) stack. Due to the direct field influence of the ferroelectric layer onto the Si-channel current percolation paths (CPPs) dominate the state transition behavior. This results in device-to-device variation and contributes to the asymmetry in programming and erasing progression. For array operation, write schemes and state-preserving inhibit schemes are evaluated to cope with the influence of the CPPs. Finally, this enables us to take advantage of the MLC capabilities of FeFETs on the array level, further enhancing the storage density of the 1T memory cells. Robust retention is proven for the MLC states at 85°C as well as reliable rewritability of the memory array with changing input patterns.

In diesem Beitrag wird ein Sensorsystem zum Nachweis bakterieller Kontaminationen in wasserführenden Anlagen der Trinkwasserversorgung und in technischen Wasserkreisläufen vorgestellt, das eine schwellwertbasierte permanente Überwachung der Trinkwasserinstallationen ermöglicht. Der Aufbau basiert auf einem Zwei-Sensoren-Prinzip mit einem Messsensor, der eine poröse Polyamid 12-Substratfalle als Detektionsort für die Biofilmbildung enthält, und einem Referenzsensor. Als Trägermaterialien für die Substratfalle wurden geeignete dreidimensionale Geometrien entwickelt und mittels additiven Fertigungsverfahren realisiert. Dabei ist es gelungen, einen optimalen Kompromiss zwischen fluidisch optimierter 3D-Struktur und der technologischen Realisierbarkeit mittels 3D-Druck zu finden. Im Ergebnis entstand eine fluidische Falle für Mikroorganismen, durch die das entsprechende Leitungswasser geführt wird und auf deren Oberfläche sich eine angereicherte Mikroorganismenpopulation als Biofilm auf dem Substratmaterial ausbildet. Die Anbindung des Sensors an eine Mess-, Steuerungs- und Regelungs- (MSR-)Technik ist über eine Datenschnittstelle gewährleistet, wo auch der Vergleich der impedimetrischen Messdaten zwischen Mess- und Referenzkanal erfolgt. Wenn das Differenzsignal einen Schwellenwert erreicht, kann eine frühzeitige Behandlung von Komponenten des Wasserkreislaufes weit vor dem Eintreten möglicher gesundheitlicher Beeinträchtigungen durch Wasserkontaminationen durchgeführt werden. Die Sensoren sind als austauschbare Einheiten nach Bewuchs mit Biofilmen konzipiert. Für den Einsatz in Trinkwasserinstallationen entsprechen Sensor, Beschichtung und Sensorträger den hygienischen Anforderungen der Trinkwasserverordnung.

Eine häufig untersuchte Materialklasse für Anwendungen, die hochdehnbare und nachgiebige Sensoren erfordern, sind Elastomere mit einem perkolativen Netzwerk aus Kohlenstoffpartikeln, z.B. Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT Carbon Nano Tubes). Diese haben für neuartige Anwendungen wie weiche Roboter oder Smart Textiles einige Vorteile gegenüber den etablierten Dehnmessstreifen. Gleichzeitig ist ihre Funktionsweise aber noch nicht ausreichend verstanden. Solche Materialien werden in dieser Arbeit als Dehnungssensoren in Bezug auf ihr dynamisches Verhalten untersucht und ihre aktuellen Limitierungen aufgezeigt. Dabei wird ersichtlich, dass derartige Sensoren unter dynamischen Belastungen eine nicht monotone Kennlinie aufweisen, die sich deutlich von der in quasi-statischen Versuchen unterscheidet. Aus den Ergebnissen und einem aufgestellten Netzwerkmodell werden zwei Strategien zur Verbesserung der Sensoreigenschaften abgeleitet, modelliert und experimentell analysiert. Erstens werden durch einen Schmelzspinnprozess verschiedene Grade von Anisotropie realisiert, der die CNT-Füllpartikel in Prozessrichtung orientiert. Zweitens wird durch eine zusätzliche auxetische Trägerstruktur eine lokal negative Querkontraktion erzeugt. Während die dadurch erzeugte Anisotropie nicht ausreichend ist, um eine Verbesserung der Sensoreigenschaften zu erreichen, kann die Dehnungssensitivität durch die auxetische Struktur deutlich gesteigert werden.

Chemische Sensoren, die ein Stimulus-responsives Hydrogel als Messaufnehmer nutzen, bieten viele Vorteile. Die Hydrogele sind kostengünstig, einfach in der Herstellung und für verschiedenste Messgrößen auslegbar. Sensoraufbauten, die den stimulusabhängigen Quelldruck in ein elektrisches Messsignal wandeln, sind gut miniaturisierbar und als Plattform für verschiedene Hydrogelarten nutzbar. Wesentliche Nachteile hydrogelbasierter Sensorprinzipien sind jedoch das Kriechen und die langen Einstellzeiten im Minuten- bis Stundenbereich, die durch langwierige Diffusionsprozesse und das viskoelastische Verhalten der Hydrogele bedingt sind. Die Kraftkompensation ist eine Messmethode diesen beiden Effekten erfolgreich entgegenzuwirken, indem der zeittreibende Volumenphasenübergang des Hydrogels unterdrückt wird. Der hierfür benötigte Aktor verhinderte in früheren Arbeiten jedoch eine Miniaturisierung der Sensoraufbauten. In dieser Arbeit ist daher eine andere Art der Kraftkompensation gezeigt, welche es erlaubt, die vielen Vorteile der Kraftkompensationsmethode auf einen Hydrogelsensor anzuwenden, aber gleichzeitig geringe Abmessungen des Sensoraufbaus zu gewährleisten. Dies gelingt, indem der quellunterdrückende Aktor direkt in den Hydrogel-Messwandler hineinverlegt wird. Auf diese Weise geschieht die Quelldruck-Kompensation im Hydrogel selbst. Zu diesem Zweck ist das Hydrogel als bisensitives Hydrogel ausgelegt. Im Ergebnis verkleinert und vereinfacht sich der Sensoraufbau durch den Wegfall aufwändiger Aktoraufbauten deutlich. Gleichzeitig wird dennoch eine hohe Einstellzeitverkürzung gegenüber der herkömmlichen unkompensierten Messmethode erreicht und die bisherigen Kompensationsansätze mit einer minimalen Einstellzeit von ca. 3 min übertroffen. Es zeigt sich überdies eine signifikante Reduktion unerwünschter Hystereseeigenschaften und die Möglichkeit zur Messbereichserweiterung. Die Messmethode ist am Beispiel eines piezoresistiven Hydrogelsensors gezeigt und prinzipiell auf andere hydrogelbasierte Sensorprinzipien zur Verbesserung der Sensoreigenschaften übertragbar.

Spektraloptische Sensorik erfasst sowohl physikalische als auch (bio-)chemische Messgrosen auf der Grundlage von deĄnierten spektralen Eigenschaftsanderungen des Messwandlers. In diesem Beitrag wird dafur eine Signalauswertung mit einer Doppelphotodiode (DPD) vorgestellt, die durch ihren Stapelaufbau aus zwei unterschiedlich spektralempfindlichen Photodiodenschichten gleichzeitig spektralselektives Element und Detektor ist. Statt wie bisher die spektrale Information aus einem Spektrum zu extrahieren, wird der Schwerpunkt der spektralen Gesamtverteilung anhand des gemessenen Verhaltnisses der beiden wellenlangenabhangigen Photostrome echtzeitfahig ausgewertet. Die Leistungsfahigkeit der DPD wird anhand von OberĆachentemperaturmessungen mit dem Leuchtstoff NaYF4:Yb3+,Er3+demonstriert. Es zeigt sich, dass mit einer Integrator-basierten Auswerteelektronik eine max. Messabweichung der Schwerpunktwellenlange von 0,1 nm erreicht werden kann. Die onlinefahige Signalverarbeitung und kompakte Baugrose der Doppelphotodiode befordert die vor-Ort-Eignung spektraloptischer Sensoren fur die Prozessindustrie, das Umweltmonitoring und viele andere Bereiche.

The method of intramolecular force compensation forms a new approach for reducing the response time of hydrogel-based chemical sensors and improving their long-term stability. The principle is based on a single bisensitive hydrogel, that fulfills both the function of a sensor and an actuator. This paper presents the measuring principle, the required bisensitive hydrogel and a sensor setup. The results show the desired bisensitivity of the sensor to the temperature and ion concentration as well as the successful reduction of the response time by more than 50 % compared to the conventional deflection method. The continuous sensor operation with the application of varying measuring solvents indicates a negligibly low hysteresis behaviour.

Die intramolekulare Kraftkompensation stellt ein neuartiges Verfahren dar, mit dem die Ansprechzeit von chemischen Sensoren auf Hydrogelbasis verkürzt werden kann. Bei dieser Art der Kraftkompensation sind sowohl Sensor- als auch Aktorfunktion in einem einzigen Hydrogel kombiniert. Dieser Beitrag legt die Messmethode, das hierzu notwendige bisensitive Hydrogel und einen entsprechenden Sensoraufbau dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die gewünschte Bisensitivität des Sensors als auch eine Verkürzung der Ansprechzeit erreicht werden konnten.

A microelectromechanical system (MEMS)‐based (4×4×2.5 mm3) active electrocaloric (EC) regenerator (AER) microfluidic system is modeled by a 3D transient thermal and fluid‐dynamic finite‐element (FE) simulation. Special attention is given to the possibility of connecting individual devices to adapt the cooling performance to particular needs. Three different working fluids and three different fluid velocities are considered. A device using silicone oil as the working fluid at a flow rate of 0.1 ms−1is proven to be the most promising design candidate. The refrigeration capacity for a single EC cell is 0.223 W cm−2and the coefficient of performance (COP) is 0.52. A 3D transient thermal and fluid‐dynamic finite‐element simulationis used to predict the refrigeration capacity of a microelectromechanical system (MEMS)‐based microfluidic single cell with a free‐standing relaxor ferroelectric Ba(Zr0.2Ti0.3)O3multilayer as the electrocaloric system and three varying fluids (water, silicone oil, and HT‐70) as the active regenerator. The geometry of the single cell is adjusted to preferably cool the contact area by means of the laminar flow conditions in combination with the channel symmetry.

Durch die enorme Entwicklung der Mikrobolometertechnologie hat sich die Thermografie in den letzten Jahren sehr stark entwickelt. So hat sie sich fest als Messtechnik für Temperaturen von Oberflächen etabliert. In diesem Beitrag wird nun untersucht, durch welche physikalischen Randbedingungen die weiteren Entwicklungen von Mikrobolometern hinsichtlich der thermischen, räumlichen und zeitlichen Auflösung begrenzt werden. Die minimal erreichbare NETD, die sogenannte BLIP-NETD(BLIP: Background Limited Infrared Performance), wird durch das Strahlungsrauschen der Objektstrahlung bestimmt. Sie hängt u. a. von der Pixelfläche und der Bandbreite der Signalauswertung ab. Der kleinste auflösbare Messfleck ist durch die Fraunhofer-Beugung an einer kreisrunden Apertur entstehende Airy-Scheibe gegeben. Aus der optischen Modulationsübertragungsfunktion (MTFO) ergibt sich der kleinste sinnvolle Pixelabstand.

In Leichtbaustrukturen wird der Polarisationszustand von integrierten Piezokeramiken mittels thermischer Anregung zerstörungsfrei geprüft. Wärmeschwingungen (Laser-Intensitäts-Modulations-Methode) oder Wärmeimpulse führen zu einem pyroelektrischen Strom im Frequenz- bzw. Zeitbereich. Das Frequenzspektrum wird analytisch mit Hilfe thermischer Relaxationszeiten, die den Wärmeverlust charakterisieren, beschrieben. Die Signale im Zeitbereich werden fourier-transformiert und mit der Übertragungsfunktion der Messstrecke korrigiert. Außerdem wird die mittlere Temperatur der Probe analytisch und numerisch ermittelt, um daraus das Zeitsignal des Stromes abzuleiten.

Die Thermografie ist heute ein Standardverfahren zur Messung von Temperaturverteilungen auf Oberflächen. Vom großen Interesse sind die bei der Thermografie auftretenden Messunsicherheiten. Diskutiert werden die Ursachen zur Messunsicherheit von ungekühlten Thermografiekameras auf der Basis von Mikrobolometern.

Large area film deposition was performed by means of multitarget reactive magnetron sputtering from metallic targets (Pb, Ti, Zr) with a diameter of 200 mm onto Cu-coated Kapton® HN substrates. High-power pulse sputtering has been employed for the Zr-target (or alternatively for the Ti-target). Film composition profiles were evaluated by XPS and RBS. Piezoelectric properties were investigated by PFM.

ZusammenfassungDamit thermische Infrarotsensoren, wie z. B. Bolometer, Thermosäulen und pyroelektrische Detektoren, eine maximale Sensorleistung erreichen, muss die einfallende Infrarotstrahlung möglichst vollständig absorbiert werden. Dieser Artikel gibt einen Überblick zu kommerziell eingesetzten Absorptionsschichten sowie Neuentwicklungen, die durch Fortschritte in der Nanotechnologie und auf dem Gebiet der Plasmonik ermöglicht wurden.

ZusammenfassungPyroelektrische Infrarotsensoren gehören zur Gruppe der thermischen Strahlungssensoren. Sie werden in sehr großen Stückzahlen in passiven Infrarot-Bewegungsmeldern, Gasanalysegeräten und Geräten zur berührungslosen Temperaturmessung eingesetzt. Der Artikel beschreibt Möglichkeiten der Detektivitätssteigerung und der Anpassung an Sensoranwendungen und gibt damit einen Überblick zum Stand der Sensorentwicklungen am Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden. Die Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit der DIAS Infrared GmbH durchgeführt.

In this work, we investigate the hierarchical surface topography of solid oxide fuel cell electrolytes consisting of zirconia stabilized with 10% Sc2O3 and 1% CeO2 (1Ce10ScSZ) synthesized at 1250-1550°C and anodes of 60 wt% 1Ce10ScSZ and 40 wt% NiO synthesized at 1300 to 1400°C. The fractal dimension of AFM images of the films was determined by the triangulation method. The obtained powers spectral density function was in good agreement with the k-correlation model indicating a self-affine surface topography.

n this work, we investigate the polarization state of a Low-Temperature-Cofired-Ceramics (LTCC)/PZT sensor-actuator and a Macro-Fiber Composite (MFC) actuator. An analytical solution for a 1-D thermal problem was derived for an embedded piezoelectric plate. Transient thermal analysis of the more complicated MFC actuator was performed using finite element modelling. At modulation frequencies below 10 Hz both modules are well described by a harmonically heated piezoelectric plate exhibiting heat losses to the environment.

With the rapid development of micro systems technology and microelectronics, smart implantable wireless electronic systems are emerging for the continuous surveillance of relevant parameters in the body and even for closed-loop systems with a sensor feed-back to drug release systems. With respect to diabetes management, there is a critical societal need for a fully integrated sensor array that can be used to continuously measure a patient’s blood glucose concentration, pH, pCO2 and colloid oncotic pressure twenty four hours a day on a long-term basis. In this work, thin films of metabolite-specific or “smart” hydrogels were combined with microfabricated piezoresistive pressure transducers to obtain “chemomechanical sensors” that can serve as selective and versatile wireless biomedical sensors and sensor arrays for a continuous monitoring of several metabolites. Sensor response time and accuracy with which sensors can track gradual changes in glucose, pH, CO2 and ionic strength, respectively, was estimated in vitro using simulated physiological solutions. The biocompatibility and hermeticity of the developed multilayer encapsulation for the microsensor array has been investigated concerning the long-term stability and enduring functionality that is desired for permanent implants.