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Spektraloptische Sensorik erfasst sowohl physikalische als auch (bio-)chemische Messgrößen auf der Grundlage von deAnierten spektralen Eigenschaftsänderungen des Messwandlers. In diesem Beitrag wird dafür 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 Verhältnisses der beiden wellenlangenabhängigen Photostrome echtzeitfähig ausgewertet. Die Leistungsfähigkeit der DPD wird anhand von OberCachentemperaturmessungen 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 onlinefähige Signalverarbeitung und kompakte Baugröße der Doppelphotodiode befördert die vor-Ort-Eignung spektraloptischer Sensoren für die Prozessindustrie, das Umweltmonitoring und viele andere Bereiche.

The EU Parliament and the EU Commission are establishing the legal framework for a CO2-neutral and sustainable future for Europe. The use of CFRP structural components in both automotive and aerospace applications contributes to this and leads to reduced CO2 emissions through significant weight reduction. High costs currently prevent the comprehensive use of CFRP. In order to enable economical lightweight construction and to save material and costs, precise knowledge of the material is crucial. A sensor system that permits 100% quality monitoring inline provides a key role in this regard. In industrial practice, however, quality monitoring is only carried out on a random inspection basis with the help of individual sensor solutions from CF manufacturers, which are neither standardised nor commercially available. The objective of this dissertation is therefore to develop a sensor system that allows the inline detection of filament breakage in CF rovings. Filament breakage presents a suitable quality parameter, as it is a measurement value of the processability of a CF roving and causes a large number of subsequent defects. For this purpose, the measurement principle "eddy current" is initially identified as a suitable measurement principle. Following this, necessary additional components are developed, such as a camera module for position correction and a compressed air module for inline cleansing, and then are combined to a multimodal sensor system. In a further step, different approaches for evaluating the multidimensional measurement values of the multimodal sensor system will be developed and evaluated. In addition to artificial neural networks and machine learning algorithms, the "x" ̅-quality control chart of the classical process control is a suitable method for evaluating and displaying the measured values. Users of the developed technology are CF manufacturers and processors, who use the sensor system as an incoming and outgoing goods inspection and along the process chain. For both user groups, the investment in the sensor system is economically viable and amortises within one year. The benefits of the sensor system include the reduction of time-consuming and cost-intensive off-line inspections and the possibility to quickly adapt the process parameters.

Die vorliegende Arbeit verbindet die Thematik der magnetoaktiven Hybridmaterialien mit Hydrogelen. Hydrogele stellen eine breite Klasse an Materialien dar, die sich unter anderem durch ein Stimuli-sensitives Quellverhalten auszeichnen. In dieser Arbeit wurde ein magnetoaktives Hydrogel hergestellt und der auftretende magnetorheologische Effekt (MRE) und die Auswirkung von Quellgradänderungen auf diesen untersucht. Hierzu wurde zunächst eine geeignete Kombination von Matrix und Partikeln ausgewählt und das Material synthetisiert. Hierauf folgten eine rheologische und eine tomographische Untersuchung. Die verwendeten Methoden mussten für eine Anwendung auf Hydrogele angepasst werden. Die rheologischen Daten erlauben eine Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des Materials und eine phänomenologische Beschreibung des magnetorheologischen Effektes durch eine empirisch ermittelte Formel. Durch Hinweise auf die mikroskopisch stattfindenden Prozesse aus den tomographischen Daten konnte eine äquivalente Formel aus theoretischen Überlegungen hergeleitet werden.

Die Grenzschichtströmung an Rotorblättern von sich in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen (WEA) beeinflusst den aerodynamischen Auftrieb und den leistungshemmenden Luftwiderstand des Rotorblattes und hat daher einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der gesamten WEA. Ein geeignetes Verfahren, um insbesondere laminare und turbulente Grenzschichtströmungsbereiche aus größerer Entfernung und ohne Präparation der Oberfläche oder Beeinflussung der Strömung zu visualisieren, ist die thermografische Strömungsvisualisierung. Das Verfahren erlaubt einen Rückschluss auf die Verteilung der Strömungsbereiche und eine Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung des Messsystems, um für Anwendungen mit geringem Kontrast zwischen den Strömungsbereichen von deutlich unter 1K eine Steigerung des CNR und eine Reduzierung der Messabweichung bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition zu erreichen. Die Anwendung von Verfahren der Merkmalsextraktion auf eine Bildserie mit geringem Kontrast resultieren im Windkanal in eine Steigerung des CNR um eine Größenordnung auf 2. Die Validierung des Verfahrens an einer Freifeldmessung einer WEA in Betrieb mit geringem CNR resultiert sogar in eine Verdoppelung von auf 5. Die zufällige und systematische Abweichungen bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition konnte durch die erweiterte Bildverarbeitung minimiert werden und erreichen einen Wert von 0,3% bzw. 0,1% der Sehnenlänge. Im Ergebnis ermöglichen die Bildverarbeitungsmethoden in der Freifeldanwendung sogar eine Lokalisierung der Transition, die zuvor, aufgrund des geringen CNR, nicht möglich war. Die Ergebnisse erweitern den Einsatzbereich der thermografische Strömungsvisualisierung für die Anwendung an WEA in Betrieb, da Strömungsvisualisierungen mit hohem CNR und geringer Abweichung bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition auch dann erzeugt werden können, wenn aus den Wetterbedingungen in den Rohdaten ein geringes CNR entsteht. In Kombination mit ressourcensparenden klassischen Bildverarbeitungsmethoden bieten die vorgestellten Ergebnisse eine gewinnbringende Erweiterung für die Anwendung der thermografischen Strömungsvisualisierung an WEA in Betrieb.

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Integration des Sicherheitsengineerings in das Engineering der Module und einer modularen Anlage zu entwickeln und zu validieren. Dazu ist es erforderlich, die vorhandenen wissenschaftlichen Arbeiten zu den Grundlagen der Modularisierung in der Automatisierungstechnik und Verfahrenstechnik sowie der Sicherheitstechnik zusammenzuführen. Davon ausgehend können dann zum einen die Anforderungen an das modulare Sicherheitsengineering abgeleitet werden, zum anderen die vorhandenen Methoden zur Risikoanalyse hinsichtlich ihres Einsatzes im modularen Sicherheitsengineering bewertet werden. Dabei ist von großer Bedeutung, dass das Engineering von Modulen prinzipiell zu einem früheren Zeitpunkt erfolgt als das Engineering der modularen Anlage, in welcher sie später betrieben werden. Ebenso ist es relevant, dass die Module von unterschiedlichen Herstellern stammen können. Es steht somit auch nicht von vornherein fest, welche Module miteinander gekoppelt werden. Folglich stehen wichtige Informationen, die bei konventionell geplanten Anlagen von Anfang an vorliegen, erst zu späteren Zeitpunkten zur Verfügung. Mit diesen Grundeigenschaften des Engineering im Kontext modularer Anlagen im Blick sollen bestehende Methoden für das Sicherheitsengineering in dieser Arbeit untersucht, erweitert und angepasst werden. Da automatisierte Methoden grundsätzlich ein großes Potenzial für die Beschleunigung von Sicherheitsanalysen bieten, sollen insbesondere solche Ansätze hinsichtlich ihrer Eignung für modulare Anlagen untersucht werden. Im Fokus liegt dabei die Planung, nicht der Betrieb der modularen Anlage. Allerdings werden nicht nur Überlegungen zur Neuplanung, sondern auch zum Umbau von modularen Anlagen einbezogen.

In der vorliegenden Dissertationsschrift wird ein thermo-elektro-mechanisches Modell zur Simulation des Verhaltens von dielektrischen Elastomeraktoren vorgestellt. Zur Beschreibung der elektrischen und thermischen Eigenschaften werden lineare Modelle verwendet. Ein isotropes viskohyperelastisches mechanisches Materialmodell wird auf Grundlage der Hyperelastizität nach Ogden und der Beschreibung viskosen Verhaltens mittels Prony-Reihen eingesetzt. Die elektromechanische Kopplung ist durch die elektrostatische Anziehungskraft geladener Elektroden begründet. Die verlustbehafteten Prozesse der elektromechanischen Energieumwandlung bzw. des Ladungstransports führen zu einer Verlustleistung, welche in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine unidirektionale Kopplung zwischen dem elektromechanischen und dem thermischen Feld erreicht. Die entsprechenden Materialparameter wurden der Literatur entnommen oder von Daten experimenteller Untersuchungen abgeleitet, welche am Institut für Elektromechanische Konstruktion (EMK) der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt wurden. Mittels der Finite-Elemente-Methode wurde das thermo-elektro-mechanischen Modell zur Simulation zweier Testgeometrien verwendet. Dabei wurde eine gute qualitative Übereinstimmungen zwischen den Ergebnissen der numerisch Simulation und den experimentellen Beobachtungen des EMK erreicht. Die Ursachen quantitativer Differenzen zwischen den experimentell ermittelten und den numerisch berechneten Temperaturen werden untersucht und diskutiert. Abgeleitet aus den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen werden abschließend Vorschläge zu einer Verringerung der dissipationsbedingten Erwärmung unterbreitet. Diese Vorschläge sind durch konstruktive, beispielsweise geometrische oder materielle, Eigenschaften von DE-Aktoren begründet, oder können aufgrund der aktiven Anregung getroffen werden.

Im Fokus dieser Arbeit stehen Dämpfungseffekte schwingfähiger Mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), die nach dem kapazitiven Wirkprinzip arbeiten. Die verschiedenen Dissipationsprozesse und die zugehörigen analytischen Modelle sowie numerischen Berechnungsmöglichkeiten auf physikalischer Ebene werden vorgestellt und mit eigenen experimentellen Ergebnissen verglichen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der fluidischen Dämpfung im Kontinuum und bei leichter Verdünnung, was bei den meisten kapazitiven MEMS den dominierenden Verlusteffekt darstellt.:1 Überblick 2 Grundlagen zur Beschreibung von Mikrosystemen 3 Herstellung und Charakterisierung 4 Fluidische Dämpfung 5 Weitere dissipative Effekte mikromechanischer Systeme 6 Zusammenfassung und Ausblick This thesis focuses on damping effects of vibrational micro-electromechanical systems (MEMS) with capacitive working principle. The different dissipation processes and the associated analytical models as well as numerical calculation possibilities on a physical level are presented and compared to own experimental results. The main emphasis is on fluidic damping in the continuum regime and with slight rarefaction, which is the dominant loss effect in most capacitive MEMS.:1 Überblick 2 Grundlagen zur Beschreibung von Mikrosystemen 3 Herstellung und Charakterisierung 4 Fluidische Dämpfung 5 Weitere dissipative Effekte mikromechanischer Systeme 6 Zusammenfassung und Ausblick

Zielstellung Gesamtziel der Promotionsarbeit “Neuartige Nanokompositmaterialien für zukünftige elekt-rochemische Energiespeicher” war die Entwicklung und Erprobung innovativer, nanostruktu-rierter Festelektrolytmaterialien für die elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung. Die zu entwickelnden Materialsysteme sollten bereits bei Temperaturen unter 700 °C eine höhere Ionenleitfähigkeit als der reinphasige Festelektrolyt aufweisen und damit eine effektivere, umweltfreundlichere Nutzung von Elektroenergie ermöglichen. Experimentelles Gemäß der höheren Leitfähigkeit der Korngrenzen zwischen Elektrolyt und Isolator, ein 3D-Modell eines idealisierten zweiphasigen Kompositmaterials wurde designt. Dafür wurde Ga-dolinium-dotiertem Ceroxid (GDC) wegen seiner hohen ionischen Leitfähigkeit und niedrigen elektrischen Leitfähigkeit als Elektrolyt und Magnesiumoxid- (MgO) als Ioslator ausgewählt. Zunächst wurden sowohl GDC- als auch MgO-Nanopartikel mit unterschiedlichen Synthese-methoden hergestellt. Dazu wurden in dieser Arbeit drei Synthesemethoden untersucht:  Methode 1: “Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO” für die Synthese der MgO-Nanopartikel,  Methode 2: “Carbonat-Copräzipitationsverfahren” für die Synthese der GDC-Nanopartikel und  Methode 3: “Self-propagating high-temperature synthesis” (SHS) für die Synthese der MgO-Nanopartikel, der GDC-Nanopartikel und der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln. Nach der Synthese wurden die Proben gesintert. In dieser Arbeit wurde zunächst die klassi-sche Sintermethode angewendet. Die Proben wurden in einem Kammerofen bei verschiede-nen Temperaturen gesintert. Dann wurde die neue Sintermethode Field Assisted Sintering Technology (FAST) / Spark Plasma Sintering (SPS) erprobt. Realisierte Ergebnisse Keramische Kompositmaterialien auf der Basis von Sauerstoffionen-leitendem Gadolinium-dotiertem Ceroxid- (GDC) und Magnesiumoxid- (MgO) Nanopartikeln wurden mit verschie-denen Präparationsmethoden synthetisiert. Deren Struktur und Eigenschaften wurden mit-tels Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie sowie elektrochemischen Messme-thoden umfassend aufgeklärt und charakterisiert. Wichtigstes Teilergebnis der Arbeit ist die erfolgreiche Entwicklung geeigneter Verfahren zur Synthese und Sinterung der Nanopartikel. Mittels der Synthesemethode SHS ist es erstmals gelungen, Mischungen von GDC- und MgO-Nanopartikeln herzustellen, die folgende erfolgversprechende Eigenschaften haben: passen-de Partikelgrößen (10 bis 20 nm) für beide Materialien, eine enge Partikelgrößenverteilung, geringe Aggregation und gute Homogenität der beiden Komponenten. Mit einem optimier-ten FAST / SPS-Verfahren konnten die auf diese Weise gemischten Pulver ohne wesentliche Partikelvergrößerung mit der gewünschten Größe und hohen Anzahl an Korngrenzen der Nanopartikel gesintert werden. Derart hergestellte Materialproben wiesen im Vergleich zu dem herkömmlich präparierten Festelektrolyt mit größeren Körnern eine ca. 10-fach höhere Leitfähigkeit auf.:Abkürzungsverzeichnis Vorwort Erklärung 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Festelektrolyt 2.1.1 Bekannte Festelektrolytmaterialien 2.1.2 Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) 2.1.2.1 Cerdioxid 2.1.2.2 Dotiertes Cerdioxid 2.1.3 Kompositmaterial 2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) 2.2.1 Brennstoffzelle 2.2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle 3 Zielstellung und Lösungsweg 4 Experimentelles 4.1 Synthesemethoden 4.2 Sintermethoden 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Thermogravimetrische Analyse 4.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie 4.3.4 Transmissionselektronenmikroskopie 4.3.5 Impedanzspektroskopie 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Ergebnisse und Diskussion der Synthesen 5.1.1 Synthese der MgO-Nanopartikel 5.1.1.1 Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO 5.1.1.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von MgO 5.1.2 Synthese der GDC-Nanopartikel 5.1.2.1 Carbonat-Copräzipitationsverfahren 5.1.2.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von GDC 5.1.3 Synthese der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln 5.1.3.1 Mischen der beiden Sole 5.1.3.2 Mischen der beiden Nassgele mit Labormixer 5.1.3.3 Mischen der beiden Nassgele mit Ultraschallfinger 5.1.3.4 Mischen von GDC-Nassgel und Ausgangssubstanzen des MgO 5.1.3.5 Mischen von MgO-Nassgel und den Ausgangssubstanzen des GDC 5.1.4 Zusammenfassung der Synthesen 5.2 Ergebnisse und Diskussion des Sinterns 5.2.1 Klassische Sintermethode 5.2.2 Field Assisted Sintering Technology (FAST) 5.2.2.1 Sintern der GDC-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.2.2 Sintern der Komposit-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.3 Zusammenfassung der Sinterergebnisse 5.3 Strukturelle Untersuchungen 5.3.1 Thermogravimetrische Analyse 5.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 5.3.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen 5.3.3.1 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von MgO-Nanopartikeln 5.3.3.2 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von GDC-Nanopartikeln 5.3.3.3 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von gemischten GDC-MgO-Nanopartikeln 5.3.3.4 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an klassisch gesinterten Proben 5.3.3.5 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von mittels FAST gesinterten GDC-Proben 5.3.3.6 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an mittels FAST gesinterten Komposit-Proben 5.4 Elektrochemische Untersuchungen 5.4.1 Aufbau des Messgerätes 5.4.2 Impedanzmessungen 5.4.2.1 Vorbereitung der Proben 5.4.2.2 Auswertung der Impedanzspekten 5.4.2.3 Vergleich von FAST- und klassisch gesinterten Proben 5.4.2.4 Untersuchung der Abhängigkeit vom Gasfluss 5.4.2.5 Bestimmung der Korngrenzen-Leitfähigkeiten der mittels FAST gesinterten Proben 5.4.2.6 Vergleich der eigenen Messungen mit Literaturangaben 5.4.2.7 Schlussfolgerung aus den Impedanzmessungen 5.5 Alterungsuntersuchungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis Publikationen Poster Danksagung Anhang Chemikalienliste

Ohne zuverlässige Chemo- und Biosensoren wären beispielsweise die Überwachung von Prozessparametern in der chemischen und biotechnologischen Industrie, die Detektion von geringsten Analytkonzentrationen in der biomedizinischen Analytik oder die Spurenanalyse von Schadstoffen undenkbar. Neue Sensormaterialien wie stimuliresponsive Hydrogele spielen bei der Entwicklung neuer chemischer und biochemischer Sensoren eine immer größere Rolle. Hydrogele sind „intelligente“ hydrophile Polymernetzwerke, die in Abhängigkeit von spezifischen Stimuli quellen und entquellen können. In Kombination mit piezoresistiven Drucksensoren wird dann der resultierende Quelldruck in eine messbare Ausgangsspannung umgewandelt. In dieser Arbeit werden sowohl neuartige stimuliresponsive Hydrogele für die Detektion von Ethanol in alkoholischen Getränken als auch zum Nachweis von gelöstem Ammoniak und Harnstoff für biotechnologische Prozesse vorgestellt. Nach der gezielten Synthese und Funktionalisierung der Gele werden zunächst die Quelleigenschaften in freier Quellung untersucht. Im Mittelpunkt der Charakterisierung stehen dabei sensorisch relevante Eigenschaften wie beispielsweise das Quellverhalten in Abhängigkeit vom jeweiligen Stimulus. Im nächsten Schritt werden piezoresistive Hydrogelsensoren aufgebaut und vermessen. Dabei werden wichtige Sensoreigenschaften wie der sensitive Messbereich, Nachweisgrenzen oder Querempfindlichkeiten detailliert untersucht und die Sensorkonzepte hinsichtlich ihres Anwendungspotenzials bewertet.

The investigation of the physical properties of deoxyribonucleic acid under confinement is an essential step for the all-embracing understanding of the replication and transcription in living cells as well as for the development of the biomimetic nanotechnology. The following report addresses the measure-ment and interpretation of the intramolecular diffusion along stretched λ-DNA-molecules. This work comprises the fabrication of submicroscopic channels via softlithography, the integration of the chan-nels in an experimental setup with a fluorescence microscope and a source-measurement unit, and the experiments with the DNA-stretching in electrical field. The important results are the development of a measuring assembly with stable, softlithographic structures in Ormostamp, the direct imaging and measurement of the intermolecular diffusion along stretched DNA-molecules in channels with cross sections down to 100 x 300 nm2, and the qualitative and quantitative analysis on the basis of models of polymer physics.

Zur Messung pyrelektrischer Koeffzienten wurde ein Messplatz nach einem erweiterten SHARP-GARN-Verfahren entwickelt und zur Untersuchung von Phasenumwandlungen in Pyroelektrika eingesetzt. Einerseits konnten pyroelektrische Messungen im elektrischen Feld die Pyroelektrizität einer neuen durch elektrisch angetriebene Defektmigration erzeugten Phase in Strontiumtitanat nachweisen. Andererseits gelang es, Ferroelektrizität in der Hochtemperaturphase von Poly(Vinylidenfluorid-Trifluorethylen), mittels phasenreiner Präparation der Hochtemperaturphase unterhalb der CURIEtemperatur und anschließender Polarisierung, nachzuweisen. Ferner ließen sich mittels thermisch angeregter Pyroelektrika Redoxprozesse antreiben, was durch Desinfektion von Escherichia coli Bakterien in wässriger Lösung mittels Lithiumniobat und -tantalat gezeigt wurde. Die Hypothese der Desinfektion durch reaktive Sauerstoffspezies konnte durch spektroskopisch nachgewiesene OH-Radikale - erzeugt mittels thermisch angeregter Bariumtitanatnanopartikel - belegt werden.

Der moderne Entwicklungsprozess von Bauteilen umfasst nicht nur Aspekte der funktionsgerechten Dimensionierung, sondern berücksichtigt auch Materialien, die auf Umgebungsbedingungen reagieren oder deren Verhalten sich von außen regeln lassen kann. Im Allgemeinen weisen diese Materialien mechanische Eigenschaften auf, die von mindestens einem weiteren physikalischen Feld, das zum Beispiel elektrischer, magnetischer oder chemischer Natur sein kann, aufgrund dem Material eigener innerer Wechselwirkungen beeinflusst werden. In der Literatur wird für diese Klasse von Materialien häufig der Begriff smart materials oder intelligent materials verwendet [Leo07]. Für die Forschung stellten diese Materialien in den letzten Jahren ein außerordentlich spannendes Aufgabenfeld dar, sodass eine Vielzahl von Materialien klassifiziert werden konnte [BC04] und auf Basis ihrer charakteristischen Eigenschaften neuartige Sensor- und Aktorsysteme entstanden sind [GA10]. Ein Beispiel ist das in Abbildung 1.1 dargestellte Modell eines Chemosensors auf Basis eines polyelektrolyten Gels, der am Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden entwickelt wurde.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten polyelektrolytischer Gele und Hydrogelschichtsysteme auf Basis der Kontinuumsmechanik zu modellieren. Die Untersuchung des Materialverhaltens gegenüber externer Stimulation erfolgt anhand numerischer Simulationen, wodurch Einblicke in den komplexen Quellprozess und darin auftretende Phänomene gewährt werden. Die vorgenommene Modellierung und Simulation gestattet dabei eine Optimierung der Systemeigenschaften für den Anwendungsfall. Anwendungsfehler und die Anzahl nötiger Versionen zur Systemgestaltung können hierdurch effektiv verringert werden. Hydrogele stellen wichtige Vertreter aus der Klasse intelligenter Materialien dar, d.h. sie sind in der Lage auf Umwelteinflüsse durch eine reversible Änderung ihrer Materialeigenschaften zu reagieren. Sie bestehen aus einer mit Wasser gefüllten Polymermatrix, in welcher ionische Ladungsträger vorliegen. Dabei sind mobile Ladungsträger im Wasser enthalten. Die Materialeigenschaften von Hydrogelen beruhen auf ihrer chemischen Zusammensetzung und können jeweils spezifisch für ihren Anwendungsfall angepasst werden. So reagieren polyelektrolytische Hydrogele mit einem reversiblen Quell- bzw. Schrumpfungsprozess auf externe elektrische Felder und die Änderung der chemischen Zusammensetzung im umgebenden Lösungsmittelbad. Die reversible Volumenänderung gegenüber externer Stimuli eröffnet Hydrogelen ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere sind sie für die Entwicklung neuer Messsysteme relevant, da über klassische Messgrößen hinaus auch sehr spezifische chemische Größen untersucht werden können. Auch eignen sich Hydrogele als aktive Komponenten mikrofluidischer Ventile, welche auf die Zusammensetzung des Fluides reagieren. Da sie keine externe Ansteuerung bzw. Energieversorgung benötigen, sind sie leichter miniaturisierbar als klassische Ventile. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sind Hydrogele prinzipiell auch für die Entwicklung leichter und energieeffizienter Aktoren geeignet. Hierbei stellt die von der Größe des Hydrogels abhängige Reaktionszeit bislang jedoch eine Hürde dar, wodurch ihr Einsatz in kleinskaligen Anwendungen wahrscheinlicher ist. Die Kombination mehrerer Schichten aus Hydrogelen ermöglicht hierbei die Anwendung als Biegeaktoren bzw. Messsysteme mit erhöhter Genauigkeit. Da ein fundiertes Wissen über die komplexen Vorgänge im Hydrogel eine große Rolle bei der Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen spielt, wird in dieser Arbeit das komplexe Materialverhalten numerisch abgebildet. Hierbei wird insbesondere Wert auf die Interaktion der chemischen, elektrischen sowie der mechanischen Domäne gelegt. Dabei wird a priori angenommen, dass die komplizierte Mikrostruktur des porösen Hydrogels als Kontinuum darstellbar ist und die relevanten Phänomene über Feldgleichungen abgebildet werden können. Es wird eine Einführung über polyelektrolytische Hydrogele und Hydrogelschichtsysteme gegeben, wobei insbesondere auf deren mikrostrukturellen Aufbau und daraus ableitbare Einsatzgebiete eingegangen wird. Mittels eines Überblicks über Modellierungsansätze in der publizierten Literatur werden die hier verwendeten Modellierungsansätze motiviert und in das Umfeld bestehender Vorarbeiten eingeordnet. Nach der Einführung notwendiger Grundlagen der physikalischen Chemie wird die Modellbildung mit der gewählten Kinematik, den Bilanzgleichungen und den Materialgleichungen zur Beschreibung von Hydrogelen und Hydrogelschichtsystemen vorgestellt. Die Bilanzgleichungen umfassen hierbei die Massenerhaltung des Polymers und der ionischen Spezies, die Impuls- und Drehimpulsbilanz sowie die Maxwell-Gleichungen. Nach der Beschreibung geeigneter Materialgleichungen folgt eine Zusammenstellung des gekoppelten chemo-elektro-mechanischen Feldproblems. Zur Lösung des gekoppelten Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt. Die Validierung des erstellten Modells wird anhand eines Quellexperiments von Frijns et al. durchgeführt. Durch den Vergleich mit einem auf der Theorie Poröser Medien (TPM) basierenden Modells kann das hier verwendete Modell abgeglichen werden, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen beider Modelle herrscht. Basierend auf den Vorarbeiten von Wallmersperger et al. und Attaran et al. wurde das hier genutzte Modell um einen zeitlichen Term in der Beschreibung der Referenzkonzentration erweitert. Hieraus resultiert eine qualitative Verbesserung in der Darstellung des zeitlichen Quellverlaufes bei chemischer Stimulation. In Anlehnung an vorhergehende Arbeiten auf dem Gebiet erfolgt die Kopplung von der mechanischen Domäne zur chemischen Domäne über eine vom Verzerrungszustand abhängige Konzentration gebundener Ladungsträger. Hier durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass diese Rückkopplung auch unter der Annahme kleiner Deformationen Relevanz besitzt und nicht vernachlässigt werden sollte. Anders als z.B. mit der TPM oder mit dem Flory-Rehner Modell ist es unter Verwendung des hier entwickelten Modells möglich, Grenzschichtphänomene zwischen Gel und Lösungsmittelbad aufzulösen. Durch die Untersuchung der Grenzschicht zeigt sich eine annähernd lineare Abhängigkeit der Grenzschichtdicke von der relativen Permittivität des Hydrogels. Auch lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Konzentration gebundener Ladungsträger und der Grenzschichtdicke identifizieren. Um das Potential der gewählten Methode zu demonstrieren, wird anhand des Beispiels eines einfachen zweischichtigen Hydrogel-Biegebalkens eine Untersuchung über die inneren Vorgänge im Schichtsystem durchgeführt. Die Untersuchung gewährt hierbei Einblicke z.B. in den zeitlichen Verlauf des elektrischen Potentials, der Konzentration mobiler Ionen sowie der resultierenden Verzerrungen. In einem abschließenden numerischen Beispiel wird die Kontaktkraft sowie die auftretenden mechanischen Spannungen in einem Greifersystem, bestehend aus zwei hydrogelbasierten Biegeaktoren, ausgewertet. Aim of this work is to model the behavior of polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems based on continuum mechanics. For this, numerical simulations are conducted to gain an insight into the complex phenomena occurring during the swelling process of hydrogels. The process of modeling and simulation is important to enhance the understanding of these systems and to improve the properties of hydrogel-based applications. Also, errors resulting from a lack of knowledge as well as from the number of required experimental works can be reduced significantly. Hydrogels belong to the class of smart materials. Therefore, they show a response to changes in their environment by a reversible change of material properties. Polyelectrolyte hydrogels consist of a polymer network with fixed ionic groups. Within the void of the polymer matrix, interstitial water containing mobile ions is present. The properties of hydrogels depend on their chemical composition and can be adjusted for the specified application. They exhibit a reversible swelling or deswelling process when subjected to electric fields or changes of the chemical composition of the surrounding solution bath. This reversible volume change opens a wide field of potential applications. The most promising field of application seems to be in the realms of measurement systems, since hydrogels can be used for the investigation of very specific chemical or biochemical measures. In addition, hydrogels can be used as active components in microfluidic devices, which open and close depending on the chemical composition of the bypassing fluid. Without a need for external control and energy supply, they are suitable for miniaturisation. As a consequence of their high energy density, hydrogels are also relevant candidates for the development of lightweight and energy efficient actuator systems. Due to their size-dependent reaction time, their use in small-scale actuatoric devices is the most promising in this field. the combination of multiple hydrogel layers can be used to increase the sensitivity of hydrogel-based measurement devices. Hydrogel-layer systems can also be used for actuatoric devices, such as gripper devices or microfluidic valves. In the presented model, the interaction between the electrical, chemical and the mechanical fields are respected. It is assumed, that the complex microstructure of hydrogels may be treated as a continuum and that the relevant phenomena can be described using field equations. A brief introduction on polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems is given. Here, their microstructure is described and relevant applications are summarized. By giving a brief literature review, the modeling approaches of this thesis are motivated and arranged within the field of existing models. After an introduction of relevant basics of physical chemistry, the model formulation is presented. Here, the chosen kinematics as well as the used balance equations and material laws are given. They include the conservation of mass for the polymer and the ionic species, the conservation of linear momentum and angular momentum as well as the Maxwell equations. After presenting suitable material laws, the field equations of the fully coupled chemo-electro-mechanical field problem are summarized. The numerical solution of the field problem is obtained by applying the Finite-Element-Method (FEM). The validation of the presented model is conducted by a comparison with experimental results of Frijns et al. After this, the used model is compared with the Theory of Porous Media (TPM), which results in a good agreement of both approaches. Since the used model represents an extension of the preliminary work of Wallmersperger et al. and Attaran et al., differences in the models are discussed. By extending the previous models by an additional temporal term in the description of the reference concentration, a qualitative improvement of the prediction of the time behavior under chemical stimulation is achieved. As done in preliminary works, the mechanical and the chemical domains are coupled by a strain dependent concentration of fixed charges. It can be shown, that this backcoupling is of significance also for small deformations. In contrast to the TPM and the Flory-Rehner model, phenomena occurring in the interface layer between adjacent domains can be investigated using the presented model. An almost linear dependence between the relative permittivity of the hydrogel and the thickness of the boundary layer is observed. It also depends on the concentration of fixed charges in the polymer network. To demonstrate the potential of the applied method, a numerical investigation of a two-layered hydrogel bending actuator is investigated. The results give an insight for example into the time-dependent distribution of the electric potential, the concentration of mobile ions as well as the resulting strains. In another numerical example, the contact force in a gripper consisting of two hydrogel-based bending actuators is evaluated.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung bisensitiver Hydrogelsysteme für die Realisierung hoch leistungsfähiger chemischer Transistoren in der Mikrofluidik. Dabei wurden unterschiedliche (semi)interpenetrierende Polymernetzwerke auf Basis von N Isopropylacrylamid und Acrylsäure hergestellt und ihre Quelleigenschaften und mechanischen Stabilität bei unterschiedlichen Stimuli untersucht. Hierfür wurde die TANAKA-Kinetik modifiziert, um sie auf Proben unterschiedlicher Aspektverhältnisse anpassen zu können. Es zeigte sich der wechselseitige Einfluss der Teilnetzwerke auf die Quellgeschwindigkeit und Stabilität der (semi)interpenetrierende Polymernetzwerke. Durch eine Optimierung der Synthese konnten die Volumenänderungen der sensitiven Hydrogele gesteigert werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Klasse von implantierbaren biochemischen Sensoren bezüglich ihrer Sensitivität im physiologisch relevanten pH- (pH 7,4) sowie Glukose-Konzentrationsbereich (2 - 20 mM) entwickelt und untersucht. Die Glukose-sensitiven Hydrogele basieren auf der Bindung von 5-fach-Zuckern an Boronsäuregruppen, die in einem Acrylamid-basierten Hydrogel mit N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) als Vernetzter (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%) verankert sind. Weiterhin konnten pH-sensitive Hydrogele auf Basis von 2-(Dimethylamino)ethyl Methacrylate (DMAEMA), Hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) sowie Tetraethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA) als Vernetzter in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Geometrien untersucht werden. Die verwendeten Hydrogele wurden hinsichtlich der Diffusionsprozesse sowie ihrer Quellkinetik charakterisiert, um deren Sensitivität, Selektivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit gegenüber den physiologischen Parametern (pH, pCO2, Glukose) zu verbessern. Die aufgebauten pCO2-Sensoren zeigten vielversprechende Ansprechzeiten von wenigen Minuten. Die Glukose und pH-Sensoren wiesen im physiologischen Medium (PBS) deutlich höhere Ansprechzeiten von mehreren Stunden auf. Die Kombination von piezoresistiven Drucksensoren mit Stimuli-sensitiven Hydrogelen bietet nicht nur eine große Vielfalt bezüglich der zu detektierenden Analyten, sondern ermöglicht auch miniaturisierte und implantierbare Sensoren für die kontinuierliche Erfassung von physiologischen Parametern. So war die Verkapselung zum Schutz und zugleich zur Gewährleistung der Biokompatibilität und ohne Beeinträchtigung der Funktionalität und Flexibilität der elektronischen Bauteile das Ziel. Dazu wurden die Sensoren mit dem Polymer Parylene C eingehaust, dass zusätzlich eine Polyethylenglykolschicht enthielt. Hierfür wurden Blockcopolymere mittels Ringöffnungspolymerisation synthetisiert, die Polyaminosäuren als Linkermoleküle und PEG zur gezielten Funktionalisierung enthalten. Nach kovalenter Anbindung an die inerte Parylene C-Oberfläche zeigten sich deutlich veränderte Oberflächeneigenschaften und eine verbesserte Zellkompatibilität und Hämokompatibilität. Zudem wurde der sogenannte Tarnkappeneffekt von PEG-Ketten, die sich in der Schicht nach außen ausrichten, festgestellt. Damit wurde Adsorption von Proteinen (Fibronektin, Fibrinogen), die in Entzündungsreaktionen, der Zelladhäsion sowie der Blutgerinnung maßgebend sind, deutlich verringert. In this work a new class of implantable biochemical sensors with a high sensitivity at physiological pH (pH 7,4) and glucose (2 – 20 mM) ranges were developed and tested. The glucose sensitive hydrogel was made of acrylamide and N,N′-methylene-bis(acrylamide) as a crosslinker (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%). The swelling mechanism was based on the reversible interaction of sugar molecules and the boronic acid groups in the hydrogel. Also a pH sensitive hydrogel made of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA), hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) and the crosslinker tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) with different molar ratios and geometries was characterized. The swelling kinetics as well as the diffusion processes of different hydrogels were studied to advance sensitivity, selectivity, reproducibility and response time with respect to physiological parameters (pH, pCO2, glucose). pCO2 sensors showed promising short response times of about 4 min whereas glucose and pH sensors displayed longer response times of several hours in phosphate-buffered saline solution. The combination of piezoresistive pressure sensors and stimuli-sensitive hydrogels enables a great diversity of detecting analytes as well as miniaturized and implantable sensors for continuous measuring of physiological parameters. However, to implant the sensors an encapsulation strategy is needed that secures the electronics as well as ensures the biocompatibility without loss of functionality and flexibility. For this, the devices were coated with the polymer parylene C and an additional layer of blockcopolymers composed of polyaminoacid (PAA) and polyethyleneglycol (PEG) blocks synthesized via ring-opening polymerization. The functionalization units are carried out by the PEG blocks whereas the PAA blocks perform as linker molecules onto the activated parylene C surface. After covalent coupling of blockcopolymers to the inert polymer the surface characteristics changed and hence the cell and blood compatibility was improved. Furthermore the stealth effect of the outwards PEG chains was utilized to reduce the adsorption of proteins like fibronectin or fibrinogen. These proteins play a major role in inflammatory processes, cell adhesion and blood coagulation. The results gave proof that the encapsulation leads to decisively reduced physiological reactions.

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie und die Parameteridentifikation von Silizium basierten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) mit piezoelektrischen Dünnschicht-Aluminiumnitrid (AlN) vorgestellt. Auf Basis des AlNs als elektromechanischer Wandler erfolgt die Fertigung eines MEMS Technologiedemonstrators für energiearme Inertialsensoren. Das AlN wird über einen reaktiven Sputterprozess auf einer Wachstumsschicht abgeschieden. Durch Parametervariation des reaktiven Sputterprozesses und der Wachstumsschicht werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlNs optimiert. Die Entwicklung einer Gesamttechnologie führt zu einer Integration des Dünnschicht-AlNs in Silizium-Mikromechaniken. Die Röntgenbeugung (XRD) ermöglicht die Kristallstruktur des AlNs zu qualifizieren. Darüber hinaus werden weitere Analysemethoden vorgestellt, die eine hoch genaue und reproduzierbare messtechnische Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten aus mikromechanischen Messstrukturen ermöglichen. Die Determination der piezoelektrischen Koeffizienten des Dünnschicht-AlNs aus den Messstrukturen erfolgt mittels analytischen und FE Modellen sowie der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Der Fokus der Arbeit liegt hierbei auf der Identifikation der longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten des AlNs. Als Technologiedemonstrator wird ein einachsiger Inertialsensor mit integriertem piezoelektrischen Dünnschicht-AlN vorgestellt. Das MEMS generiert aufgrund des piezoelektrischen Wandlers intrinsisch elektrische Ladungen bei Einwirkung einer mechanischen Energie. Dadurch ist keine elektrische Energiezufuhr für die Messung eines inertialen Ereignisses notwendig. Der vorgestellte Demonstrator wird hinsichtlich seiner Ladungs- und Spannungssensitivität optimiert. Zur theoretischen Beschreibung der Funktionsweise werden analytische, sowie FE und SPICE Modelle genutzt. Eine Charakterisierung des MEMS Bauelements erfolgt hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. The thesis includes the design, the technology and the parameter identification of silicon-based microelectromechanical systems (MEMS) with piezoelectric thin film of aluminum nitride (AlN). A low-energy inertial sensor as technology demonstrator based on AlN as an electromechanical transducer a MEMS manufacturing process is shown. The AlN is deposited via a reactive sputtering on a growth layer. By varying parameters of the reactive sputtering and the growth layer of AlN, the piezoelectric properties can be optimized. The development of an overall technology results to an integration of the thin film AlNs in silicon micromechanics. X-ray diffraction (XRD) allows to qualify the crystal structure of AlN. Further methods are developed that enable a highly accurate and repeatable metrological determination of piezoelectric coefficients measurement structures. The determination of piezoelectric coefficients of the thin film AlN from the measurement structures is resulting from analytical methods and FE models and the laser Doppler vibrometry (LDV). The identification of the longitudinal and transverse piezoelectric charge coefficient of AlN is one main focus of this work. A uniaxial inertial sensor with an integrated piezoelectric thin film of AlN is presented as technology demonstrator. The piezoelectric transducer of the MEMS is generating electric charges intrinsically as reaction of mechanical stress. Thus, no electric power supply for the measurement of an inertial event is necessary. The presented demonstrator has been optimized with respect to its charge and voltage sensitivity. For a theoretical description analytical and FE and SPICE models are used. A characterization of the MEMS device is carried out with regard to the mechanical and electrical properties.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.

Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet. Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt. Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen. Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail. For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition. To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out. Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable. The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays.

Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

Die Modellierung natürlicher und technischer Systeme spielt eine wichtige Rolle, um deren Verhalten zu simulieren und vorherzusagen. Die Impedanzspektroskopie ist in diesem Zusammenhang eine interessante Methode, da die Impedanz oft einfach messbar ist. Die herausfordernde Aufgabe ist die Interpretation gemessener Daten. Das Verständnis des Zusammenhanges zwischen realen Effekten und gemessener Impedanz anhand eines Impedanzmodells ist eine zentrale Problemstellung. Die Herleitung solcher Modelle wird in dieser Arbeit anhand drei verschiedenartiger Beispiele aus dem Gebiet der Messtechnik untersucht. Wirbelstromsensoren werden allgemein zur Messung von Abstand und Materialeigenschaften eingesetzt. Anhand eines Modells wird untersucht, wie diese Größen simultan bestimmbar sind. Die Messung der Zusammensetzung von Materialgemischen ist vielfach technisch relevant. Am Beispiel von Waschlaugen und Dispersionen mit Carbon Nano Tubes wird gezeigt, wie deren Zusammensetzung die Impedanz beeinflusst und welche Eigenschaften messbar sind. Batterien spielen eine wichtige Rolle zur Speicherung elektrischer Energie. Mit einem fraktionalen Differentialgleichungsmodell erfolgt eine Simulation der Batteriespannung unter wechselnden Einsatzbedingungen. Anhand der Anwendungen wird deutlich, dass es keinen Automatismus zur Modellerstellung und kein Modell für alles geben kann. Um so mehr liefert das vorgeschlagene Vorgehen einen Einstieg in die Modellerstellung. Modeling natural and technical systems is important in order to simulate and predict their behavior. Impedance spectroscopy is an interesting method in the field of modeling because the impedance often is easily measurable. Nevertheless, interpretation of measured data is the challenging task in this field. The fundamental problem is understanding the relationship between real physical effects, measured impedance and impedance model. Fundamentals and advanced methods for deriving impedance models are investigated for three different problems in the field of measurement and sensor technology in this work. Eddy current sensors are commonly used to measure distance and material properties. Based on a model, it is investigated how these quantities can be determined simultaneously. Measuring the composition of material mixtures has many technical applications. Using the example of dispersions containing laundry detergents and dispersions with carbon nanotubes shows how their composition effects the impedance and measurable quantities. Batteries play an important role for storing electrical energy. Applying a fractional differential equation model allows a simulation of the battery voltage under varying operating conditions. Based on these applications it becomes clear, there can be no fully automated model creation method. A scientific analysis of the underlying problem is always required. The more the proposed approach provides an introduction to modeling.

Die kontinuierliche Skalierung der planaren MOSFETs war in den vergangenen 40 Jahren der Schlüssel, um die Bauelemente immer kleiner und leistungsfähiger zu gestalten. Hinzu kamen Techniken zur mechanischen Verspannung, Verfahren zur Kurzzeitausheilung, die in-situ-dotierte Epitaxie und neue Materialien, wie das High-k-Gateoxid in Verbindung mit Titannitrid als Gatemetall. Jedoch erschwerten Kurzkanaleffekte und eine zunehmende Streuung der elektrischen Eigenschaften die Verkleinerung der planaren Transistoren erheblich. Somit gelangten die planaren MOSFETs mit der aktuellen 28 nm-Technologie teilweise an die Grenzen ihrer Funktionalität. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie, welche eine bessere Steuerfähigkeit des Gatekontaktes aufweisen und somit die Fortführung der Skalierung ermöglichen. Zudem standen die Anforderungen eines stabilen und kostengünstigen Herstellungsprozesses als Grundvoraussetzung zur Übernahme in die Volumenproduktion stets mit im Vordergrund. Die Simulationen der Tri-Gate-Transistoren stellten dabei den ersten Schritt hin zu einer Multi-Gate-Technologie dar. Ihre Prozessabfolge unterscheidet sich von den planaren Transistoren nur durch die Formierung der Finnen und bietet damit die Möglichkeit eines hybriden 22 nm-Prozesses. Am Beispiel der Tri-Gate-Transistoren wurden zudem die Auswirkungen der Kristallorientierung, der mechanischen Verspannung und der Überlagerungseffekte es elektrischen Feldes auf die Leistungsfähigkeit von Multi-Gate-Strukturen analysiert. Im nächsten Schritt wurden Transistoren mit vollständig verarmten Kanalgebieten untersucht. Sie weisen aufgrund einer niedrigen Kanaldotierung eine Volumeninversion, eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und eine geringere Anfälligkeit gegenüber der zufälligen Dotierungsfluktuation auf, welche für leistungsfähige Multi-Gate-Transistoren entscheidende Kriterien sind. Zu den betrachteten Varianten zählen die planaren ultradünnen SOI-MOSFETs, die klassischen FinFETs mit schmalen hohen Finnen und die vertikalen Nanowire-Transistoren. Anschließend wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Transistorstrukturen für eine mittel- bis langfristige industrielle Nutzung betrachtet. Dazu erfolgte eine Analyse der statistischen Schwankungen und eine Skalierung hin zur 14 nm-Technologie. Eine Zusammenfassung aller Ergebnisse und ein Ausblick auf die mögliche Übernahme der Konzepte in die Volumenproduktion schließen die Arbeit ab.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Entwicklung der CMOS-Technologie 2.1 Planare Transistoren 2.1.1 Theoretische Grundlagen von MOSFETs 2.1.2 Skalierung und Kurzkanalverhalten planarer Transistoren 2.1.3 Mechanische Verspannung von Silizium 2.1.4 Techniken zur mechanischen Verspannung 2.2 Multi-Gate-Transistoren 2.2.1 Multi-Gate-Strukturen 2.2.2 Überlagerungseffekte 2.2.3 Quanteneffekte 2.3 Stand der Technik 3 Grundlagen der Simulation 3.1 Prozesssimulation 3.1.1 Abscheiden und Abtragen von Schichten 3.1.2 Implantation 3.1.3 Thermische Ausheilung mit Diffusion 3.2 Bauelementesimulation 3.2.1 Grundgleichungen und Ladungsträgertransport 3.2.2 Bandlückenverengung 3.2.3 Generation und Rekombination 3.2.4 Ladungsträgerbeweglichkeit 3.2.5 Effekte der mechanischen Verspannung 3.2.6 Ladungsträgerquantisierung 3.3 Kalibrierung der Modellparameter 3.3.1 Prozessparameter 3.3.2 Modellparameter 4 Planare Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie 4.1 Transistoraufbau 4.1.1 Replacement-Gate-Prozess 4.1.2 In-situ-dotierte Source-Drain-Gebiete 4.1.3 Haloimplantation 4.1.4 Elemente der mechanischen Verspannung 4.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 4.2.1 Stationäres Verhalten 4.2.2 Gatesteuerung und Kurzkanaleffekte 4.2.3 Dynamisches Verhalten 5 Tri-Gate-Transistoren 5.1 Prozessintegration und Transistoraufbau 5.1.1 Anforderungen an hochintegrierte Schaltkreise 5.1.2 Hybride CMOS-Technologie 5.1.3 Strukturierung der Finne 5.1.4 Geometrieabhängiges Dotierungsprofil 5.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 5.2.1 Stationäres Verhalten 5.2.2 Kurzkanaleffekte und Gatesteuerung 5.2.3 Eckeneffekt 5.2.4 Eckenimplantation 5.2.5 Finnengeometrie 5.2.6 Dynamisches Verhalten 5.3 Optimierung der Tri-Gate-Struktur 5.3.1 Gestaltung der epitaktischen Source-Drain-Gebiete 5.3.2 Mechanisch verspanntes Isolationsoxid 5.3.3 Substratorientierung 6 Transistoren mit vollständig verarmtem Kanal 6.1 Ultra-Dünne-SOI-MOSFETs 6.1.1 Prozessintegration 6.1.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.2 FinFETs 6.2.1 Prozessintegration 6.2.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3 Vertikale Nanowire-MOSFETs 6.3.1 Prozessintegration 6.3.2 Strukturierung des Aktivgebiets 6.3.3 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3.4 Asymmetrisches Dotierungsprofil 6.3.5 Mechanische Verspannung 7 Skalierung und statistische Schwankungen der Strukturen 7.1 Skalierung zur 14 nm-Technologie 7.1.1 Leistungsfähigkeit 7.1.2 Kurzkanalverhalten und Steuerfähigkeit 7.2 Statistische Schwankungen 7.2.1 Impedanz-Feld-Methode 7.2.2 Zufällige Dotierungsfluktuation 7.2.3 Fixe Ladungen im Oxid 7.2.4 Metall-Gate-Granularität 7.2.5 Geometrische Variationen 7.2.6 Kombination der Störquellen 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Acknowledgement Within the past 40 years the continuous scaling of planar MOSFETs was key to shrink the devices and to improve their performance. Techniques like mechanical stressing, rapid thermal annealing and in-situ doped epitaxial growing as well as novel materials, such as high-k-gate-oxide in combination with titanium nitride as metal-gate, has been introduced. However, short-channel-effects and increased scattering of electrical proper-ties significantly complicate the scaling of planar transistors. Thus, the planar MOSFETs gradually reached their limits of functionality with the current 28 nm technology node. For that reason, this work focuses on integration of multi-gate transistors based on a 22 nm technology, which show an improved gate control and allow a continuous scaling. Furthermore, the requirements of a stable and cost-efficient process as decisive condition for mass fabrication were always taken into account. The simulations of the tri-gate transistors present the first step toward a multi-gate technology. The process sequence differs from the planar one solely by a fin formation and offers the possibility of a hybrid 22 nm process. Also, the impact of crystal orientation, mechanical stress and superposition of electrical fields on the efficiency of multi-gate structures were analyzed for the tri-gate transistors. In a second step transistors with fully depleted channel regions were studied. Due to low channel doping they are showing a volume inversion, a higher carrier mobility and a lower sensitivity to random doping fluctuations, which are essential criteria for powerful multi-gate transistors. Reviewed structure variants include planar ultra-thin-body-SOI-MOSFETs, classic FinFETs with a tall, narrow fins and vertical nanowire transistors. Then advantages and disadvantages of the considered transistor structures have been observed for a medium to long term industrial use. For this purpose, an analysis of statistical fluctuations and the scaling-down to 14 nm technology was carried out. A summary of all results and an outlook to the transfer of concepts into mass fabrication complete this work.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Entwicklung der CMOS-Technologie 2.1 Planare Transistoren 2.1.1 Theoretische Grundlagen von MOSFETs 2.1.2 Skalierung und Kurzkanalverhalten planarer Transistoren 2.1.3 Mechanische Verspannung von Silizium 2.1.4 Techniken zur mechanischen Verspannung 2.2 Multi-Gate-Transistoren 2.2.1 Multi-Gate-Strukturen 2.2.2 Überlagerungseffekte 2.2.3 Quanteneffekte 2.3 Stand der Technik 3 Grundlagen der Simulation 3.1 Prozesssimulation 3.1.1 Abscheiden und Abtragen von Schichten 3.1.2 Implantation 3.1.3 Thermische Ausheilung mit Diffusion 3.2 Bauelementesimulation 3.2.1 Grundgleichungen und Ladungsträgertransport 3.2.2 Bandlückenverengung 3.2.3 Generation und Rekombination 3.2.4 Ladungsträgerbeweglichkeit 3.2.5 Effekte der mechanischen Verspannung 3.2.6 Ladungsträgerquantisierung 3.3 Kalibrierung der Modellparameter 3.3.1 Prozessparameter 3.3.2 Modellparameter 4 Planare Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie 4.1 Transistoraufbau 4.1.1 Replacement-Gate-Prozess 4.1.2 In-situ-dotierte Source-Drain-Gebiete 4.1.3 Haloimplantation 4.1.4 Elemente der mechanischen Verspannung 4.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 4.2.1 Stationäres Verhalten 4.2.2 Gatesteuerung und Kurzkanaleffekte 4.2.3 Dynamisches Verhalten 5 Tri-Gate-Transistoren 5.1 Prozessintegration und Transistoraufbau 5.1.1 Anforderungen an hochintegrierte Schaltkreise 5.1.2 Hybride CMOS-Technologie 5.1.3 Strukturierung der Finne 5.1.4 Geometrieabhängiges Dotierungsprofil 5.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 5.2.1 Stationäres Verhalten 5.2.2 Kurzkanaleffekte und Gatesteuerung 5.2.3 Eckeneffekt 5.2.4 Eckenimplantation 5.2.5 Finnengeometrie 5.2.6 Dynamisches Verhalten 5.3 Optimierung der Tri-Gate-Struktur 5.3.1 Gestaltung der epitaktischen Source-Drain-Gebiete 5.3.2 Mechanisch verspanntes Isolationsoxid 5.3.3 Substratorientierung 6 Transistoren mit vollständig verarmtem Kanal 6.1 Ultra-Dünne-SOI-MOSFETs 6.1.1 Prozessintegration 6.1.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.2 FinFETs 6.2.1 Prozessintegration 6.2.2 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3 Vertikale Nanowire-MOSFETs 6.3.1 Prozessintegration 6.3.2 Strukturierung des Aktivgebiets 6.3.3 Charakterisierung des elektrischen Verhaltens 6.3.4 Asymmetrisches Dotierungsprofil 6.3.5 Mechanische Verspannung 7 Skalierung und statistische Schwankungen der Strukturen 7.1 Skalierung zur 14 nm-Technologie 7.1.1 Leistungsfähigkeit 7.1.2 Kurzkanalverhalten und Steuerfähigkeit 7.2 Statistische Schwankungen 7.2.1 Impedanz-Feld-Methode 7.2.2 Zufällige Dotierungsfluktuation 7.2.3 Fixe Ladungen im Oxid 7.2.4 Metall-Gate-Granularität 7.2.5 Geometrische Variationen 7.2.6 Kombination der Störquellen 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Acknowledgement

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

1998 publizierten die Arbeitsgruppen von S. J. Tans und R. Martel die Herstellung des Prototypen eines Kohlenstoffnanoröhren Feldeffekttransistors. Dabei bilden halbleitende Kohlenstoffnanoröhren den aktiven, feldgesteuerten Bereich des Transistors. Aufgrund der herausragenden Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren wurde den Bauelementen ein großes Anwendungspotential in Halbleiterindustrie und Sensorik vorhergesagt. Dass die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren in der Industrie heute hinter den Erwartungen zurückbleibt, liegt vor allem an den Problemen bei der Sortierung und Integration der Kohlenstoffnanoröhren: Trotz intensiver Bemühungen entsteht bei der Synthese eine Mischung aus halbleitenden und metallischen Kohlenstoffnanoröhren. Eine postsynthetische Separation der Spezies ist daher notwendig. In dieser Arbeit wurden verschiedene Wege zur Separation der Kohlenstoffnanoröhren in eine halbleitende und metallische Fraktion verfolgt: (i) Die Dichtegradientenzentrifugation differenziert zwischen unterschiedlichen Schwimmdichten der Kohlenstoffnanoröhren in einer Lösung mit einem Dichtegradienten. Durch die selektive Assemblierung unterschiedlich polarisierbarer Tenside werden Dichteunterschiede zwischen den halbleitenden und metallischen Röhren hergestellt. In einem Zwei-Schritt-Verfahren konnte so eine hohe Reinheit an halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren erzielt werden. (ii) Die dielektrophoretische Auftrennung der Kohlenstoffnanoröhren erfolgt aufgrund von Unterschieden in der Polarität und der Leitfähigkeit der metallischen und halbleitenden Spezies. Durch die Wahl des Tensidsystems können dabei die Unterschiede zwischen den beiden Spezies verstärkt und somit die Sortierung effizienter gestaltet werden. Die Erfahrungen mit statischen Dielektrophorese-Experimenten wurden in ein kontinuierliches mikrofluidisches System übertragen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit der Separation der Kohlenstoffnanoröhren im größeren Maßstab. Im Anschluss an die Sortierung ist ein Prozess notwendig, der die parallele Integration vieler Kohlenstoffnanoröhren in mikroelektronische Strukturen auf einem Wafer ermöglicht. Die Dielektrophorese erlaubt die ortsspezische parallele Assemblierung der Kohlenstoffnanoröhren in vorgefertigte Strukturen. Damit können auf Waferebene Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren aufgebaut werden. In dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass mit der Integration sortierter halbleitender Röhren die übliche selektive Zerstörung metallischer Strompfade überflüssig ist. Im letzten Teil dieser Arbeit soll der aufgebaute Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistor für einen zukünftigen Einsatz als membranbasierter Biosensor modifiziert werden. Dafür wird eine Doppellipidschicht über den Kohlenstoffnanoröhren assembliert werden, welche als Modell für eine Biomembran dient. Es werden erste Messungen in Flüssigkeit gezeigt und die Interaktion der Lipidmoleküle mit den dispergierten Kohlenstoffnanoröhren charakterisiert.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Interdigitalwandlern für zukünftige SAW-Bauelemente durch die Verwendung von kupferbasierten Fingerelektroden. In Bezug auf die Akustomigration, d.h. der Elektrodenschädigung infolge hochzyklischer SAW-Belastung, besitzt Kupfer im Vergleich zu standardmäßig eingesetztem polykristallinem Aluminium eine erhöhte Beständigkeit. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Grenzflächen der Fingerelektroden gegen die durch SAW-Belastung auftretende Loch- und Hügelbildung stabilisiert werden. Das Ziel bestand deshalb darin, die Aktivierungsenergie für den Materialtransport an den Elektrodengrenzflächen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit Metallisierungen in Form von Kupfer Aluminium-Schichtstapeln und -Legierungen mit jeweils geringem Aluminiumanteil hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Fingerelektroden aus wärmebehandelten Kupfer-Aluminium-Schichtstapeln eine signifikant erhöhte Leistungsbeständigkeit aufweisen, wobei der elektrische Widerstand im Vergleich zu vollständig legierten Kupfer-Aluminium-Metallisierungen deutlich reduziert ist. Insbesondere kann dieses Schichtsystem durch Elektronenstrahlverdampfung und Lift-Off-Technologie auch kostengünstig hergestellt werden. Der Einfluss von thermischer- und SAW-Belastung auf den mechanischen Spannungszustand in einer Fingerelektrode wurde mittels einer Finiten-Elemente-Simulation untersucht. Darüber hinaus wird der Schädigungsmechanismus für die Akustomigration anhand eines erweiterten Eyringmodells diskutiert.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 1 Abkürzungen und Symbole 5 1 Einleitung und Stand der Literatur 9 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Wirkungsprinzip von SAW Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Mathematische Beschreibung von Oberflächenwellen . . . . . . . . . 11 1.2.3 Rayleighwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4 Scherwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.5 Interdigitalwandler (IDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.6 Deltafunktionsmodell und Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Materialien für SAW-Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Metallisierungen für Fingerelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.3 Diffusionsbarrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4 Modellierung der Lebensdauer von SAW-Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.1 Ursachen der Frequenzverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.2 Allgemeines Eyringmodell und Näherungen . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.3 Berechnung von akustischer Energie- und mechanischer Spannungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5 Zielstellung und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2 Experimentelles 43 2.1 Herstellung der SAW-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 Lift-Off-Technologie und Elektronenstrahlverdampfung . . . . . . . 43 2.1.2 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Analyse- und Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.2 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Probenpräparation und Schichtquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Lebensdauermessungen an Teststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.1 Lebensdauermessungen an Power-SAW-Strukturen . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Lebensdauermessungen an 2-GHz Reaktanzfilter . . . . . . . . . . . 58 3 Ergebnisse und Diskussion 61 3.1 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1.1 elektrischer Widerstand und thermische Stabilität von Cu/Al-Metallisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1.2 Cu(Al)-Legierungsverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3 Cu/Al-Multischicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.4 Auswahl des Metallisierungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 TTF-Messungen an 2-GHz-Filtern mit Al/Cu/Al-Multischichten . . . . . . 71 3.3 Ergebnisse am Al 2nm/Cu 100nm/Al 2nm/Ti 5nm - Multischichtsystem . . 75 3.3.1 Thermische Stabilität der Mikrostruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Einfluss von TiOx und AlOx auf die Grenzflächen und Lebensdauern 75 3.4 Vergleichende Akustomigrationsexperimente an PSAW-Strukturen . . . . . 80 3.4.1 Erwärmung der Metallisierung durch HF-Leistungseintrag . . . . . 80 3.4.2 Frequenzverschiebung durch Temperaturänderung . . . . . . . . . . 81 3.4.3 TTF-Bestimmung: Cu/Al-Metallisierung vs. Referenzsysteme . . . . 82 3.4.4 Mikrostrukturelle Änderungen nach Leistungsbelastung . . . . . . . 89 3.4.5 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse . . . . . . . . . . 91 4 Simulation der mechanischen Spannungen in den Fingerelektroden 93 4.1 Geometrisches Simulationsmodell (2D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Randbedingungen, Materialparameter und Vorgehensweise . . . . . . . . . 95 4.3 Thermische Spannungen in Cu-Fingerelektroden ohne äußere Belastung . . 97 4.4 Cu-Fingerelektroden unter SAW-Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Schädigungshypothese 101 5.1 Erweitertes Lebensdauermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 Mikroskopische Beschreibung durch Schädigungsmodelle . . . . . . . . . . 103 5.2.1 Elektrodenschädigung bei Scherwellenbelastung . . . . . . . . . . . 103 5.2.2 Elektrodenschädigung bei Rayleighwellenbelastung . . . . . . . . . 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 109 Abbildungsverzeichnis 121 Tabellenverzeichnis 123 Eidesstattliche Erkl¨arung 125 Danksagung 127 Anhang 129 The aim of this dissertation is the improvement of the power durability of interdigital transducers for future SAW devices using copper based finger electrode materials. Compared to polycrystalline aluminum, which is typically used as electrode material, copper shows a higher durability with respect to acoustomigration, which can be further increased by a stabilization of the electrode interfaces against material transport. For that purpose, copper based metallizations with a small aluminum content were developed as layer stacks or alloys. It could be shown that heat-treated copper-alumininum layer stacks have a significantly higher power durability while the electrical resistivity is reduced in comparison to completely alloyed copper-aluminium metallizations. Additionally, the thin film layer system can be produced by using economical techniques such as electron beam evapouration and lift-off-technology. The influence of thermal and mechanical load on the stress distribution in the finger electrodes was investigated by a finite elements method. The damage mechanism of acoustomigration will be discussed based on an extended Eyring model.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 1 Abkürzungen und Symbole 5 1 Einleitung und Stand der Literatur 9 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Wirkungsprinzip von SAW Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Mathematische Beschreibung von Oberflächenwellen . . . . . . . . . 11 1.2.3 Rayleighwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4 Scherwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.5 Interdigitalwandler (IDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.6 Deltafunktionsmodell und Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Materialien für SAW-Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Metallisierungen für Fingerelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.3 Diffusionsbarrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4 Modellierung der Lebensdauer von SAW-Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.1 Ursachen der Frequenzverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.2 Allgemeines Eyringmodell und Näherungen . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.3 Berechnung von akustischer Energie- und mechanischer Spannungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5 Zielstellung und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2 Experimentelles 43 2.1 Herstellung der SAW-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 Lift-Off-Technologie und Elektronenstrahlverdampfung . . . . . . . 43 2.1.2 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Analyse- und Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.2 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Probenpräparation und Schichtquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Lebensdauermessungen an Teststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.1 Lebensdauermessungen an Power-SAW-Strukturen . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Lebensdauermessungen an 2-GHz Reaktanzfilter . . . . . . . . . . . 58 3 Ergebnisse und Diskussion 61 3.1 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1.1 elektrischer Widerstand und thermische Stabilität von Cu/Al-Metallisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1.2 Cu(Al)-Legierungsverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3 Cu/Al-Multischicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.4 Auswahl des Metallisierungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 TTF-Messungen an 2-GHz-Filtern mit Al/Cu/Al-Multischichten . . . . . . 71 3.3 Ergebnisse am Al 2nm/Cu 100nm/Al 2nm/Ti 5nm - Multischichtsystem . . 75 3.3.1 Thermische Stabilität der Mikrostruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Einfluss von TiOx und AlOx auf die Grenzflächen und Lebensdauern 75 3.4 Vergleichende Akustomigrationsexperimente an PSAW-Strukturen . . . . . 80 3.4.1 Erwärmung der Metallisierung durch HF-Leistungseintrag . . . . . 80 3.4.2 Frequenzverschiebung durch Temperaturänderung . . . . . . . . . . 81 3.4.3 TTF-Bestimmung: Cu/Al-Metallisierung vs. Referenzsysteme . . . . 82 3.4.4 Mikrostrukturelle Änderungen nach Leistungsbelastung . . . . . . . 89 3.4.5 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse . . . . . . . . . . 91 4 Simulation der mechanischen Spannungen in den Fingerelektroden 93 4.1 Geometrisches Simulationsmodell (2D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Randbedingungen, Materialparameter und Vorgehensweise . . . . . . . . . 95 4.3 Thermische Spannungen in Cu-Fingerelektroden ohne äußere Belastung . . 97 4.4 Cu-Fingerelektroden unter SAW-Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Schädigungshypothese 101 5.1 Erweitertes Lebensdauermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 Mikroskopische Beschreibung durch Schädigungsmodelle . . . . . . . . . . 103 5.2.1 Elektrodenschädigung bei Scherwellenbelastung . . . . . . . . . . . 103 5.2.2 Elektrodenschädigung bei Rayleighwellenbelastung . . . . . . . . . 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 109 Abbildungsverzeichnis 121 Tabellenverzeichnis 123 Eidesstattliche Erkl¨arung 125 Danksagung 127 Anhang 129

Thermische Ausheilprozesse werden bei der Transistorformation im Wesentlichen eingesetzt, um die durch die Ionenimplantation entstandenen Kristallschäden auszuheilen und die eingebrachten Dotanden zu aktivieren. Besonders kritisch sind dabei die finalen Aktivierungsprozesse, bei denen die Source/Drain-Gebiete der Transistoren gebildet werden. Im Zuge der kontinuierlichen Skalierung der CMOSFET-Technologie ist es außerdem erforderlich, möglichst flache, abrupte Dotierungsprofile mit maximaler elektrischer Aktivierung zu erhalten, um die bei diesen Bauelementeabmessungen immer stärker auftretenden Kurzkanaleffekte zu unterdrücken und gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit der Transistoren zu gewährleisten. Zur maximalen Aktivierung bei minimaler Diffusion der eingebrachten Dotanden müssen dazu während der finalen Ausheilung extrem kurze Ausheilzeiten bei sehr hohen Temperaturen bewerkstelligt werden. Mit dem derzeitig angewandten Ausheilverfahren, der schnellen thermischen Ausheilung (RTA), bei der die minimale Ausheilzeit im Bereich von 1 s liegt, sind diese Vorgaben nicht mehr realisierbar. Nur durch den Einsatz von neuartigen thermischen Ausheilprozessen mit Ausheilzeiten im Millisekundenbereich können diese Forderungen erreicht werden. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die wissenschaftliche Untersuchung der neuartigen Ausheilprozesse und die experimentelle Realisierung von Integrationsmöglichkeiten in die planare Hochleistungs-SOI-CMOSFET-Technologie. Dazu wird zunächst die Notwendigkeit der Einführung der neuartigen Ausheilprozesse erläutert. Anschließend wird basierend auf experimentellen Untersuchungen der Einfluss der Kurzzeitausheilung auf die Diffusion und Aktivierung der Dotierstoffe für eine p- und n-Dotierung analysiert. Des Weiteren werden zwei unterschiedliche Technologien der Kurzzeitausheilung, die Blitzlampen- und Laser-Ausheilung, und deren Einfluss auf das Transistorverhalten sowohl auf Wafer- als auch auf Mikroprozessorebene untersucht. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung zur Integration der Kurzzeitausheilung in den Herstellungsprozess von Hochleistungs-SOI-CMOSFETs. Zwei verschiedene Ansätze werden dabei näher betrachtet. Zum Einen wird der Einfluss der Kurzzeitausheilung als zusätzlicher Ausheilschritt im Anschluss an die herkömmliche RTA und zum Anderen als alleiniger Ausheilschritt ohne RTA untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zeigen, dass durch die zusätzliche Kurzzeitausheilung nach Ansatz 1 ohne eine Veränderung des Herstellungsprozesses ein verbessertes Transistorverhalten erreicht werden kann. Demgegenüber ist die Integration der Kurzzeitausheilung nach Ansatz 2 nur durch eine Anpassung der Transistorarchitektur und eine Optimierung der Implantationsparameter für die Halo-, Source/Drain-Erweiterungs- und Source/Drain-Gebiete möglich. Ein Hauptaugenmerk bei der Herstellung diffusionsarmer p-MOSFETs nach Ansatz 2 liegt in der Implementierung von Si1-xGex-Source/Drain-Gebieten, um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch diese Verspannungsquelle auch bei diesen Transistortypen zu gewährleisten. Die dazu durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei diffusionsarmen p-MOSFETs mit Si1-xGex in den Source/Drain-Gebieten des Transistors, die Wahl der richtigen Implantationsspezies von entscheidender Bedeutung ist. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von optimierten, diffusionsarmen n- und p-MOSFETs mit Transistoren der 45 nm-Technologie. Letztere basieren auf einem Prozess mit einer kombinierten Ausheilung von RTA und Kurzzeitausheilung. Dabei wird gezeigt, dass im Gegensatz zur herkömmlichen RTA-Ausheilung eine weitere Miniaturisierung der planaren Transistorstruktur mit Hilfe der Kurzzeitausheilung möglich ist.

Mit dem Erreichen der Grenzen der konventionellen MOSFET-Skalierung werden neue Techniken untersucht, um die Leistungsfähigkeit der CMOS-Technologie dem bisherigen Trend folgend weiter zu steigern. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung mechanischer Verspannungen im Transistorkanal. Mechanische Verspannungen führen zu Kristalldeformationen und ändern die elektronische Bandstruktur von Silizium, so dass n- und p-MOSFETs mit verspannten Kanälen erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeiten und demzufolge eine gesteigerte Leistungsfähigkeit aufweisen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen mechanischer Verspannungen auf die elektronischen Eigenschaften planarer Silicon-On-Insulator-MOSFETs für Höchstleistungsanwendungen sowie mit deren Optimierung und technologischen Begrenzungen. Der Effekt der Verspannung auf die Bandstruktur von Silizium und die Ladungsträgerbeweglichkeit wird zunächst systematisch mit Hilfe der empirischen Pseudopotenzialmethode und der Deformationspotenzialtheorie untersucht. Verringerte Streuraten und kleinere effektive Massen als Folge der Aufspaltung der Energiebänder sowie von Bandverformungen sind der Hauptgrund für eine erhöhte Löcher- bzw. Elektronenbeweglichkeit. Die unterschiedlichen Konzepte zur Erzeugung der Verspannung werden kurz rekapituliert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den verspannten Deckschichten, den Si1-xGex- bzw. Si1-yCy- Source/Drain-Gebieten, den verspannungsspeichernden Prozessen und den verspannten Substraten. Die starke Abhängigkeit dieser Verspannungstechniken von der Transistorstruktur macht die Nutzung numerischer Simulationen unabdingbar. So werden die Auswirkungen von Variationen der Transistorgeometrie sowie von Prozessparametern im Hinblick auf die Verspannung und die Drainstromänderungen der Transistoren neben den Messungen am gefertigten Transistor auch anhand numerischer Simulationen dargestellt und verglichen. Wesentliche Parameter für eine erhöhte Verspannung werden bestimmt und technologische Herausforderungen bei der Prozessintegration diskutiert. Die durchgeführten Simulationen und das erlangte Verständnis der Wirkungsweise der Verspannungstechniken ermöglichen es, das Potenzial dieser Verspannungstechniken für weitere Leistungssteigerungen in zukünftigen Technologiegenerationen abzuschätzen. Dadurch ist es möglich, die Prozessbedingungen und die Eigenschaften der fertigen Bauelemente im Hinblick auf eine gesteigerte Leistungsfähigkeit hin zu optimieren. Mit der weiteren Verkleinerung der Strukturgrößen der Bauelemente wird der zunehmende Einfluss der parasitären Source/Drain-Widerstände als Begrenzung der Effektivität der Verspannungstechniken identifiziert. Anschließend werden die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Verspannungstechniken hervorgehoben bzw. die gegebenenfalls auftretenden Einschränkungen angesprochen. Abschließend wird das Transportverhalten sowohl im linearen ohmschen Bereich als auch unter dem Einfluss hoher elektrischer Feldstärken analysiert und die deutlichen Unterschiede für die Leistungssteigerungen der verspannten n- und p-MOSFETs begründet. As conventional MOSFET scaling is reaching its limits, several novel techniques are investigated to extend the CMOS roadmap. One of these techniques is the introduction of mechanical strain in the silicon transistor channel. Because strain changes the inter-atomic distances and thus the electronic band structure of silicon, ntype and p-type transistors with strained channels can show enhanced carrier mobility and performance. The purpose of this thesis is to analyze and understand the effects of strain on the electronic properties of planar silicon-on-insulator MOSFETs for high-performance applications as well as the optimization of various stress techniques and their technological limitations. First, the effect of strain on the electronic band structure of silicon and the carrier mobility is studied systematically using the empirical pseudopotential method and the deformation potential theory. Strain-induced energy band splitting and band deformations alter the electron and hole mobility through modulated effective masses and modified scattering rates. The various concepts for strain generation inside the transistor channel are reviewed. The focus of this work is on strained overlayer films, strained Si1-xGex and Si1-yCy in the source/drain regions, stress memorization techniques and strained substrates. It is shown, that strained silicon based improvements are highly sensitive to the device layout and geometry. For that reason, numerical simulations are indispensable to analyze the efficiency of the strain techniques to transfer strain into the channel. In close relation with experimental work the results from detailed simulation studies including parameter variations and material analyses are presented, as well as a thorough investigation of critical parameters to increase the strain in the transistor channel. Thus, the process conditions and the properties of the fabricated devices can be optimized with respect to higher performance. In addition, technological limitations are discussed and the potential of the different strain techniques for further performance enhancements in future technology generations is evaluated. With the continuing reduction in device dimensions the detrimental impact of the parasitic source/drain resistance on device performance is quantified and projected to be the bottleneck for strain-induced performance improvements. Next, the effects from a combination of individual strain techniques are studied and their interactions or possible restrictions are highlighted. Finally, the transport properties in the low-field transport regime as well as under high electrical fields are analyzed and the notable differences between strained n-type and p-type transistors are discussed.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Berechnung und Optimierung von Silicon-On-Insulator-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors, einschließlich noch nicht in Massenproduktion hergestellter neuartiger Transistorarchitekturen für die nächsten Technologiegenerationen der hochleistungsfähigen Logik-MOSFETs mit Hilfe der Prozess- und Bauelementesimulation. Die neuartigen Transistorarchitekturen umfassen dabei vollständig verarmte SOI-MOSFETs, Doppel-Gate-Transistoren und FinFETs. Die statische und dynamische Leistungsfähigkeit der neuartigen Transistoren wird durch Simulation bestimmt und miteinander verglichen. Der mit weiterer Skalierung steigende Einfluss von statistischen Variationen wird anhand der Oberflächenrauheit sowie der Polykantenrauheit untersucht. Zu diesem Zweck wurden Modelle für die Generierung der Rauheit erarbeitet und in das Programmsystem SIMBA implementiert. Die mikroskopische Rauheit wird mit der makroskopischen Bauelementesimulation kombiniert und deren Auswirkungen auf die Standardtransistoren und skalierte Bauelemente aufgezeigt. Zudem erfolgt eine ausführliche Diskussion der Modellierung mechanischer Verspannung und deren Anwendung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs. Die in SIMBA implementierten Modelle zur verspannungs-abhängigen Änderung der Ladungsträgerbeweglichkeit und Lage der Bandkanten werden ausführlich dargestellt und deren Einfluss auf die elektrischen Parameter von MOSFETs untersucht. Weiterhin wird die Verspannungsverteilung für verschiedene Herstellungsvarianten mittels der Prozess-simulation berechnet und die Wirkung auf die elektrischen Parameter dargestellt. Exponential- und Gaußverteilungsfunktionen bilden die Grundlage, um die mechanische Verspannung in der Bauelementesimulation nachzubilden, ohne die Verspannungsprofile aus der Prozesssimulation zu übernehmen. Darüber hinaus werden die Grenzfrequenzen der Logiktransistoren in Bezug auf die parasitären Kapazitäten und Widerstände und zur erweiterten MOSFET-Charakterisierung dargestellt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Methode der modalen Superposition als Ordnungsreduktionsverfahren in der Mikrosystemtechnik. Typische Anwendungsgebiete sind Inertialsensoren und dabei im Besonderen Drehratensensoren, für die die Simulation von zeitabhängigen Phänomenen von entscheidender Bedeutung ist. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Ordnungsreduktion nach der Methode der modalen Superposition ist es gelungen für typische lineare Kräfte eine auf analytischen Gleichungen basierende Beschreibung im reduzierten Raum zu finden. Für die Beschreibung von nichtlinearen Kräften ist im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt worden, das es erlaubt, bestehende Modelle im Finite-Elemente-Raum in der modalen Beschreibung zu nutzen. In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Berücksichtigung von Einflüssen der Aufbau- und Verbindungstechnik in ordnungsreduzierten Modellen dargestellt. Neben der Einkopplung äußerer Kräfte und der Veränderung der mechanischen Randbedingungen wird auch der Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die elektrostatischen Eigenschaften untersucht. Die Parametrisierung des Verfahrens der modalen Superposition über Fit- und Interpolationsverfahren erlaubt es, parametrisierte ordnungsreduzierte Modelle für die zeitabhängige Systemsimulation zu generieren. Damit wird die Durchführung von Designoptimierung und die Berücksichtigung von Fertigungs- und Prozessschwankungen in ordnungsreduzierten Modellen auf Systemebene möglich.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation

This dissertation concerns quasistatic torsional mirror's for optical applications. The intended main area of application is the use as switch in optical network's, replacing the conventional optical-electro-optical conversation. With these actuator's a new concept of electrostatic actuation has been realised. While the drive electrodes are integrated into the deflectable mirror, the whole counter electrode below the mirror plate remains at equal ground potential. The device is manufactured out of two parts using method's of silicon bulk mikro machining. A deflectable mirror plate, torsional spring's and the surrounding support structure are fabricated within the thin device layer at the top of BSOI material. The counter electrode is manufactured out of a highly doped silicon wafer. Both part's are assembled together by adhesive bonding at die level at the end. Since the driving potential is supplied to the mirror plate and the counter electrode is at ground level, lateral tolerances because of device assembly mismatches does not appear with the use of the new concept. In detail the mirror plate itself is divided into two seperate electrodes by a parallel arrangement of filled isolating trenches. The highly doped device layer provides electrical connection via the torsional spring's to the mirror electrodes. A quasistatic torsional actuation is performed if a dc-voltage is applied between one mirror side and the counter electrode. Several design's have been fabricated. The lateral dimension of the torsional mirror plate vary from 0,5 mm to 2,0 mm. The designed characteristic frequencies vary from 0,5 to 3 kHz. For quasistatic actuation the pull in angle vary from 1 to 5 degree and the pull in voltage goes up to several hundred volts. Accessorily the mirror plate is enclosed by a comb drive structure. So that the device could be used for low voltage resonant actuation or an capacitive position read out becomes feasible. Within this thesis the new concept has been verified and functionality has been demonstrated. Depending on their characteristic frequency, devices are suitable to perform quasistatic actuation within 10 ms. Experiments indicated that the electrical isolation damages irreversible at drive voltage's above 400 volt. It limits the maximum deflection of nearly all design's. At prototype actuators repeatability has been studied. No drift was observed in the static characteristic within several cycles for certain designs. Closed-loop position control is not mandatory for the actuators fabricated within this thesis. Mechanical stress inside the mirror plate causes deformation of the reflective surface larger than permitted by optical criteria. This paves the way for further device optimization, yield improvement and system integration.

In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge mit Sensoren zur Erfassung des Fahrzeugniveaus, also der Lage des Fahrzeugs relativ zur Straßenoberfläche in Richtung der Fahrzeughochachse, ausgestattet. Informationen zum Fahrzeugniveau werden beispielsweise für die automatische Leuchtweitenregulierung für Gasentladungsscheinwerfer und Fahrwerkregelsysteme benötigt. Mit dem Ziel der Vermeidung wesentlicher Nachteile üblicher Seriensensoren mit Kugelgelenken wurde von der ZF Lemförder Fahrwerktechnik GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG und der Technischen Universität Dresden ein Fahrzeugniveausensor prototypisch in ein Gummi-Metall-Lager eines Fahrwerklenkers integriert. In diesem mechatronischen System wird mit anisotropen magnetoresistiven (AMR) Sensoren, welche in den Lagerkern integriert sind, die Richtung des Magnetfeldes eines auf der Innenseite der äußeren Lagerhülse angeordneten Perma¬nentmagnetrings gemessen. Ein spezielles Design von Mechanik und Magnetfeld erlaubt die Messung der Lagertorsion als Maß für den vertikalen Radweg des entsprechenden Rades weitgehend unabhängig von kardanischen und translatorischen Lagerverformungen. Diese Dissertation stellt eine Zusammenfassung wesentlicher Inhalte dieses Projektes dar. Einleitend wird die Eignung von Messgröße und Sensorprinzip für die Messung des Fahrzeugniveaus anhand der Anforderungen an Fahrzeugniveausensoren diskutiert und ein optimierter mechanischer Aufbau des Sensorlagers vorgestellt. Den wissenschaftlichen Schwerpunkt dieser Dissertation bildet das Design des Magnetfeldes des erforderlichen Permanentmagneten. Auf der Basis geeigneter Ansätze erfolgt unter Anwendung der Theorie magnetischer Felder die Herleitung eines Feldverlaufs, der ein Optimum hinsichtlich der Unempfindlichkeit gegenüber der sensorischen Erfassung störender Lagerverformungen, der erreichbaren Feldstärke am Sensor, der Signallinearität und der Herstellbarkeit des Permanentmagnetrings darstellt. Zu den weiteren Themen dieser Arbeit zählen die Erörterung der verwendeten Sensorelektronik einschließlich der wesentlichen Software¬algorithmen sowie die Diskussion der experimentell ermittelten Eigenschaften eines Prototyps des Sensorlagers und dessen Komponenten. In motor vehicles, information on the position of the vehicle in direction of the vehicle height axis in relation to the road surface is increasingly provided by sensors. This positional information is required for the automatic headlight range control of gaseous discharge headlights and chassis control systems. In cooperation with Volkswagen AG and University of Technology Dresden, ZF Lemförder Fahrwerktechnik GmbH & Co. KG integrated a vehicle height sensor as a prototype in a rubber mount of an axle link with the aim of avoiding the disadvantages of standard sensors using ball joints. In this mechatronic system, the direction of the magnetic field of a permanent magnetic ring placed on the inside of the outer bearing case is measured by anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors integrated in the centre of the bearing. The vertical movement of the relevant wheel is measured via the torsion of the rubber mount. The mechanics and the magnetic field were designed in order to get measurements that are not affected by rotational and linear rubber mount distortions. This thesis works summarizes the key points of this project. The reader will be first introduced to advantages and disadvantages of the measuring quantity and the sensor principle used for measuring the positioning of the vehicle concerning the requirements of vehicle height sensors. In addition, an optimized construction of the sensor rubber mount will be described. The main focus of this work is the design of the magnetic field of the required permanent magnet. While considering adequate approaches, the magnetic field of this magnet is formulated from the theory of magnetic fields. The presented magnetic field is an optimisation in terms of the insensitivity of sensoric measurements towards interferic rubber mount distortions, the field force that can be accomplished at the sensor, the linearity of the signal and the producibility of the permanent magnet ring. Further topics that are addressed in this thesis are the discussion of the used sensor electronic including essential software algorithms and the discussion of the experimentally derived characteristics of the prototype of the sensor rubber mount and its components.

In this work the influence of solid electrolyte additives on the gas sensing properties of tin oxide layers was investigated systematically for the first time. NASICON (NAtrium, Super Ionic CONductor, Na(1+x)Zr2SixP(3-x)O12; 0

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.