Die vorliegende Arbeit behandelt integrierte Hochvolt-Schaltungen für die Ansteuerung elektrostatisch arbeitender Mikroaktoren und Mikroaktorarrays. Im Besonderen wird auf die Gesichtspunkte der Treiberschaltungen von Torsionsspiegelarrays eingegangen. Es werden verschiedene Verstärkerbetriebsarten und Schaltungsvarianten hinsichtlich der Ansteuerung kleiner kapazitiver Lasten beurteilt. Für die hocheffiziente Signalübertragung zwischen Low-Side und High-Side in geschalteten Hochvolt-Verstärkern wird ein neuer dynamischer Level-Shifter vorgestellt. Anhand eines gebondeten Mikroelektronik-Mikromechanik-Aufbaus für ein Hadamard-Transformations-Spektrometer werden die speziellen Aspekte des Elektronikentwurfs für ein System-in-Package aufgezeigt. Als Entwurfsgrundlage wird ein Überblick über die wesentlichen Isolationstechnologien für integrierte Hochvolt-Schaltungen und über die Bauelementemodellierung in einer SOI-Technologie ausgearbeitet. Außerdem werden die Vor- und Nachteile der wichtigsten Antriebsprinzipien von Mikroaktoren zusammengefasst.

In einer Einleitung werden verschiedene Möglichkeiten der Kopplung unterschiedlicher physikalischer Domänen diskutiert. Begriffe wie Kopplung auf Systemebene über Terminals und auf Feldebene über Lastvektor oder Matrixkopplung werden zugeordnet. Wie diese Kopplungsmöglichkeiten sich in der ANSYS Simulationsumgebung wiederfinden, wird aufgezeigt. Am Beispiel eines Akuators wird erläutert, welche physikalischen Domänen gekoppelt betrachtet werden müssen, um die hier vorhandenen temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. In einem Beispiel zu einer Steckverbindung wird aufgezeigt, wie eine vom Kontaktdruck abhängige Leitfähigkeit berücksichtigt wird und Ergebnisse aus dieser Simulation werden diskutiert.

This work is inspired by the peculiar behavior of the natural systems, namely the ability to produce self-sustained oscillations in the level of tens of Hertz in constant ambient conditions. This feature is one of the key signatures prescribed to living organisms. The firing rate of neuronal cells, a pulsating heart, or the beating of cilia and flagella are among many biological examples that possess amazing functionalities and unprecedented intelligence solely relying on bio-electro-chemical processes. Exploring shapeable polymeric technologies, new self-oscillating artificial microsystems were developed within this thesis. These microsystems rely on the novel nonlinear architecture that exhibits a negative differential resistance (NDR) within the parametric response that enables periodic oscillations. These systems are made of polymers and metals and were microfabricated in a planar fashion. The electrochemically deposited ionic electroactive polymers act as actuators of the system. Upon the self-assembly process, due to the interlayer strains, the planar device transforms into a three-dimensional soft nonlinear system that is able to perform self-sustained relaxation oscillations when subjected to a constant electric field while consuming extremely low powers (as low as several microwatts). The parameters of these systems were tuned for a high oscillation amplitude and frequency. This electro-mechanical parametric relaxation oscillator (EMPRO) can generate a rhythmic motion at stroke frequencies that are biologically relevant reaching up to ~95 Hz. The EMPRO oscillations at high frequencies generate a flow in the surrounding liquid, which was observed in the form of vortices around the micro actuators. This flow was further studied in ex-vivo conditions by measuring Doppler shifts of ultrasound waves. The EMPRO was made autonomous by integrating an electrochemical voltaic cell. Four different electrochemical batteries were tested to match the power consumption of the EMPRO system and electrochemical compatibility of the surrounding media. An Ag-Mg primary cell was then integrated with the EMPRO for autonomous operation without the need for external power sources, cables or controllers. This biomimicking self-powered self-sustaining oscillating microsystem is envisioned to be useful in novel application scenarios operating at low Reynolds numbers in biologically relevant conditions. Furthermore, as the system is electromechanical in nature, it could be integrated with electronic components such as sensors and communication devices in the next generation of autonomous microsystems.:  Table of contents Acronyms 7 1 Introduction 8 1.1 Motivation 9 1.2 Objectives 9 1.3 Thesis organization 10 2 Background 12 2.1 A brief review on nonlinear self-oscillation 12 2.2 Self-oscillating biological systems 13 2.3 Stimuli responsive materials 15 2.3.1 Electroactive polymers in electrochemical cells 16 2.3.2 Sources of electrical field for electroactive polymers 24 2.4 Self-oscillating synthetic systems 27 2.5 Movement in low Reynolds number regime 33 3 Materials and methods 38 3.1 Deposition methods 38 3.1.1 Photolithography 38 3.1.2 Plasma sputtering 41 3.1.3 Atomic layer deposition 42 3.1.4 Electrochemical polymerization 44 3.2 Shapeable polymeric platform technology 46 3.2.1 Sacrificial layer 46 3.2.2 Hydrogel swelling layer 47 3.2.3 Polyimide reinforcing layer 48 3.3 Characterization methods 49 3.3.1 Profilometry 49 3.3.2 Scanning electron and focused ion beam microscopy 50 3.3.3 Cyclic Voltammetry 52 3.3.4 Ultrasound and Doppler shift measurements 53 4 Electromechanical Parametric Relaxation Oscillators (EMPROs) 56 4.1 Relaxation oscillation in EMPROs 56 4.2 Theory of EMPRO relaxation oscillations 61 4.3 Realization of EMPROs 67 4.3.1 Design parameters of EMPROs 67 4.3.2 EMPRO on-chip battery integration 71 4.4 Fabrication of autonomous EMPROs 76 5 EMPRO performances 84 5.1 Externally biased EMPROs 84 5.2 Autonomous EMPROs 95 6 Conclusions and outlook 98 6.1 Outlook 99 Bibliography i List of Figures and Tables xi Versicherung xiii Acknowledgements xiv Scientific publications and contributions xvi Theses xvii Curriculum Vitae xix

Für ereignisgesteuerte Systeme mit mehrdimensionalen Bewegungsabläufen wurde im Fachausschuss 4.12 "Bewegungssteuerungen für Be- und Verarbeitungsmaschinen" der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) die VDI/VDE-Richtlinie 3684 "Beschreibung ereignisgesteuerter Bewegungsabläufe mit Funktionsplänen" als interdisziplinär verständliches und anschauliches Dokumentationsmittel und Entwurfswerkzeug erarbeitet. Mit der Blockbibliothek Funktionsplan auf Grundlage der in der Richtlinie 3684 vorgeschlagenen Systembeschreibung ist ein durchgängiger Entwurfsweg bis zur Überprüfung des Systemverhaltens ereignisgesteuerter Systeme mittels Simulation einschließlich frühzeitiger Erkennung von Fehlern im Entwurfsprozess und Kodegenerierung möglich. Die FUP Blockbibliothek liegt als Erweiterungs-Blockbibliothek für SIMULINK vor und wurde hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften zur Simulation von ereignisgesteuerten Prozessen speziell in mechatronischen Systemen entwickelt. Die Blockikonen gewährleisten schon nach kurzer Einarbeitungszeit einen sicheren Einsatz der Blöcke, damit kann auf Blockkürzel im Sinne der Richtlinie zwecks besserer Übersichtlichkeit verzichtet werden. Zweisprachige Blockhilfen sind in Version 3.1 für alle Blöcke on-line verfügbar. Graphisch programmierte Funktionspläne können mittels Toolbox Funktionsplanprüfung vorzugsweise über GUI, bei Bedarf auch durch MATLAB Skripte, auf Eingabe- und Programmierfehler geprüft werden. Die Prüfung kann wahlweise vollständig oder auf ausgewählte Fehler erfolgen. Ergebnisausgaben sind entweder in gestraffter Form oder ausführlich einschließlich von Hinweisen möglich. Überprüft werden können Parameter (z.B. Zustands- u. FUP-Nummern, Variablen, Fehlerbehandlung), Syntax (vgl. Richtlinie), Sackgassen (erste/alle) und Rückführschleifen (Entkopplung). Hybride Funktionspläne sind in Echtzeitkode für eine Zielhardware übersetzbar. Voraussetzung ist ein Standard ANSI C Compiler. Die Blockbibliothek Funktionsplan ist eine kostengünstige, richtliniennahe Alternative und ermöglicht eine vom Normalablauf separate, graphisch programmierte Fehlerbehandlung ohne Verlust an Übersichtlichkeit. Die Anwendung der Blöcke wird durch 11 Beispiele veranschaulicht. / The department committee 4.12 "Motion control of machine tools and processing machines" of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control (GMA) has established a manufacturer-neutral guideline No. 3684 for event-driven systems with multi-dimensional motion sequences. This guide-line is entitled "Description of event-driven motion processes by function charts" and constitutes a graphically clear design and documentation tool that is well-suited for interdisciplinary application. The block library Function Chart has been defined based on system descriptions suggested in guideline 3684. This library makes available a uniform design procedure. It covers the documentation, the behaviour test of event-driven systems by means of simulation including the early detection of design process faults, the test of realization variants as well as the code generation. Block library Function Chart is an add-on library for SIMULINK. With regard to its essential features it has been developed for the design, simulation, code generation and the description of event-driven systems especially for mechatronics, mechanical and electrical engineering. The created block icons make it possible to get familiar with add-on library Function Chart within a short period of time whereupon block mnemonics may be hidden in order to get a high graphical clearness and to fulfil the requirements of the guideline. Versions 3.1 bilingual on-line block help is available for all blocks. Graphically programmed function charts may be checked for input and programming errors preferably with help of Toolbox "Function Chart Check" by means of GUI's and if necessary also by MATLAB scripts. The check may be done completely or alternatively for selected errors. Output of result is possible either in detail inclusively eventual hints or in shortened form. A function chart may be checked for parameter errors (e.g. state and FUP numbers, variables, error handling), syntax errors (see guideline), dead ends (first or all) and uncoupled loops (arithmetic loops). Standard ANSI C compiler availability stands for a precondition for real time code generation. The block library Function Chart offers a reasonable alternative and allows separate motion error handling sequences which are separated from normal motion sequences without any loss of a well-ordered graphical arrangement. Currently 11 examples demonstrate the application of the blocks.

Für ereignisgesteuerte Systeme mit mehrdimensionalen Bewegungsabläufen wurde im Fachausschuss 4.12 "Bewegungssteuerungen für Be- und Verarbeitungsmaschinen" der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) die VDI/VDE-Richtlinie 3684 "Beschreibung ereignisgesteuerter Bewegungsabläufe mit Funktionsplänen" als interdisziplinär verständliches und anschauliches Dokumentationsmittel und Entwurfswerkzeug erarbeitet. Mit der Blockbibliothek Funktionsplan auf Grundlage der in der Richtlinie 3684 vorgeschlagenen Systembeschreibung ist ein durchgängiger Entwurfsweg bis zur Überprüfung des Systemverhaltens ereignisgesteuerter Systeme mittels Simulation einschließlich frühzeitiger Erkennung von Fehlern im Entwurfsprozess und Kodegenerierung möglich. Die FUP Blockbibliothek liegt als Erweiterungs-Blockbibliothek für SIMULINK vor und wurde hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften zur Simulation von ereignisgesteuerten Prozessen speziell in mechatronischen Systemen entwickelt. Die Blockikonen gewährleisten schon nach kurzer Einarbeitungszeit einen sicheren Einsatz der Blöcke, damit kann auf Blockkürzel im Sinne der Richtlinie zwecks besserer Übersichtlichkeit verzichtet werden. Zweisprachige Blockhilfen sind in Version 3.1 für alle Blöcke on-line verfügbar. Graphisch programmierte Funktionspläne können mittels Toolbox Funktionsplanprüfung vorzugsweise über GUI, bei Bedarf auch durch MATLAB Skripte, auf Eingabe- und Programmierfehler geprüft werden. Die Prüfung kann wahlweise vollständig oder auf ausgewählte Fehler erfolgen. Ergebnisausgaben sind entweder in gestraffter Form oder ausführlich einschließlich von Hinweisen möglich. Überprüft werden können Parameter (z.B. Zustands- u. FUP-Nummern, Variablen, Fehlerbehandlung), Syntax (vgl. Richtlinie), Sackgassen (erste/alle) und Rückführschleifen (Entkopplung). Hybride Funktionspläne sind in Echtzeitkode für eine Zielhardware übersetzbar. Voraussetzung ist ein Standard ANSI C Compiler. Die Blockbibliothek Funktionsplan ist eine kostengünstige, richtliniennahe Alternative und ermöglicht eine vom Normalablauf separate, graphisch programmierte Fehlerbehandlung ohne Verlust an Übersichtlichkeit. Die Anwendung der Blöcke wird durch 11 Beispiele veranschaulicht.:1. Einleitung 2. Ausgangspunkt Arbeitsdiagramm 3. Hybrider Funktionsplan 3.1 Begriffsbestimmung 3.2 Anwendungsbeispiel 3.3 Vom Arbeitsdiagramm zum Hybriden Funktionsplan 4. Steuerungstechnische Umsetzung 4.1 Auswahl einer Basissoftware 4.2 Maschinenkodeerzeugung mit der Basissoftware 5. Projektierung mit FUP 5.1 Eigenschaften der SIMULINK Blockbibliothek FUP 5.2 Projektierungsschritte 6. Ausblick / The department committee 4.12 "Motion control of machine tools and processing machines" of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control (GMA) has established a manufacturer-neutral guideline No. 3684 for event-driven systems with multi-dimensional motion sequences. This guide-line is entitled "Description of event-driven motion processes by function charts" and constitutes a graphically clear design and documentation tool that is well-suited for interdisciplinary application. The block library Function Chart has been defined based on system descriptions suggested in guideline 3684. This library makes available a uniform design procedure. It covers the documentation, the behaviour test of event-driven systems by means of simulation including the early detection of design process faults, the test of realization variants as well as the code generation. Block library Function Chart is an add-on library for SIMULINK. With regard to its essential features it has been developed for the design, simulation, code generation and the description of event-driven systems especially for mechatronics, mechanical and electrical engineering. The created block icons make it possible to get familiar with add-on library Function Chart within a short period of time whereupon block mnemonics may be hidden in order to get a high graphical clearness and to fulfil the requirements of the guideline. Versions 3.1 bilingual on-line block help is available for all blocks. Graphically programmed function charts may be checked for input and programming errors preferably with help of Toolbox "Function Chart Check" by means of GUI's and if necessary also by MATLAB scripts. The check may be done completely or alternatively for selected errors. Output of result is possible either in detail inclusively eventual hints or in shortened form. A function chart may be checked for parameter errors (e.g. state and FUP numbers, variables, error handling), syntax errors (see guideline), dead ends (first or all) and uncoupled loops (arithmetic loops). Standard ANSI C compiler availability stands for a precondition for real time code generation. The block library Function Chart offers a reasonable alternative and allows separate motion error handling sequences which are separated from normal motion sequences without any loss of a well-ordered graphical arrangement. Currently 11 examples demonstrate the application of the blocks.:1. Einleitung 2. Ausgangspunkt Arbeitsdiagramm 3. Hybrider Funktionsplan 3.1 Begriffsbestimmung 3.2 Anwendungsbeispiel 3.3 Vom Arbeitsdiagramm zum Hybriden Funktionsplan 4. Steuerungstechnische Umsetzung 4.1 Auswahl einer Basissoftware 4.2 Maschinenkodeerzeugung mit der Basissoftware 5. Projektierung mit FUP 5.1 Eigenschaften der SIMULINK Blockbibliothek FUP 5.2 Projektierungsschritte 6. Ausblick

Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Aufbau und Funktionsweise der betrachteten synthetischen Jet-Aktuatoren 2.2 Grundlagen aus der Mechanik 2.3 Grundlagen aus der Hydrodynamik 2.4 Analytisches Modell für synthetische Jet-Aktuatoren 3 Numerische Grundlagen 3.1 Zur Lösung von Differentialgleichungssystemen 3.2 Grundlagen der Optimierung 4 Beschreibung von Messdaten mit Hilfe des Modells 4.1 Reproduktion der Ergebnisse der Veröffentlichungen von Sharma 4.2 Anpassung des Modells an Messdaten weiterer Aktuatoren 5 Parametervariation und Optimierung 5.1 Separate Variation jedes Parameters 5.2 Brute-force-Optimierung von Luftkammervolumen und Membranresonanzfrequenz 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Piezokeramischen Werkstoffe auf der Basis von Bleizirkonat - Titanat (PZT) zeigen Extremwerte der elektromechanischen Eigenschaften im morphotropen Phasenübergangsbereich. Durch Modifikation des Verhältnisses von rhomboedrischer und tetragonaler Phase im Gefüge können die piezoelektrischen Eigenschaften des Werkstoffs entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Es wurde eine Methode vorgestellt, einen mathematisch kohärenten Satz piezoelektrischer Kleinsignalkoeffizienten vollständig und mit hoher Genauigkeit über einen breiten Temperatur-(-200°C...+200°C) und Zusammensetzungsbereich (0...1 rh/tet) zu bestimmen. Desweiteren wurden die piezoelektrischen Eigenschaften dem Phasenanteil im Gefüge zugeordnet.:Danksagung II Symbolverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis VI Inhalt VII 1 Einleitung 1 1.1 Piezoelektrische Werkstoffe 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Materialsystem 3 1.4 Lösungsansatz 3 2 Grundlagen 5 2.1 Klassifizierung dielektrischer Keramiken 5 2.1.1 Wirkung elektrischer Felder auf dielektrische, keramische Werkstoffe 5 2.1.2 Piezoelektrizität einkristalliner und keramischer Dielektrika 7 2.1.3 Pyroelektrizität keramischer Dielektrika 8 2.1.4 Ferroelektrizität keramischer Dielektrika 8 2.2 Piezokeramische Werkstoffe des Systems PZT 10 2.2.1 Blei- Zirkonat- Titanat (PZT) 11 2.2.2 Domänenstruktur des PZT 12 2.2.3 Intrinsische und extrinsische Beiträge zu den piezoelektrischen Eigenschaften nach der Polung 13 2.2.4 Der morphotrope Phasenübergang im PZT 14 2.2.5 Entwicklung von PZT Werkstoffen mit spezifischen Eigenschaften 15 2.2.6 Das Werkstoffsystem Pb(ZrXTi1-X)O3-Sr(K0,25 Nb0,75)O3 (PZT/SKN) 18 2.3 Das Phasendiagramm des Werkstoffsystems PZT 20 2.4 Beschreibung der piezoelektrischen Eigenschaften 26 2.4.1 Die Komponenten der piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix für perowskitische, piezokeramische Werkstoffe 28 2.4.2 Definition der Kohärenz von piezoelektrischen Eigenschaftsmatrizen 30 2.4.3 Mathematische Kohärenz 30 2.4.4 Physikalische Konsistenz 31 2.5 Schwingungsmoden piezokeramischer Probenkörper 32 2.5.1 Longitudinalschwingung (3-3 Schwingung) 34 2.5.2 Transversalschwingung (3-1 Schwingung) 34 2.5.3 Planarschwingung (Radial- Schwingung) 35 2.5.4 Dicken- Dehnungs- Schwingung (Dickenschwingung) 35 2.5.5 Dicken- Scher- Schwingung (1-5 Schwingung) 36 3 Messmethoden 37 3.1 Bestimmung der Matrix der piezoelektrischen Komponenten nach DIN Standard 37 3.2 Impedanzanalyse 38 3.2.1 Das Impedanzspektrum piezoelektrischer Proben 39 3.3 Röntgen- Diffraktometrie (XRD) 43 4 Experimentelle Durchführung 45 4.1 Verwendete Werkstoffe und Probenvorbereitung 46 4.1.1 Dichtebestimmung 48 4.2 Temperaturabhängige Kleinsignalimpedanzmessung 49 4.3 Röntgen– Diffraktometrie– Untersuchungen (XRD) 56 4.4 Keramographie 58 4.5 Automatisierung des Messsystems 59 5 Datenaufbereitung und Primärdatenerfassung 59 5.1 Kompensation von Messfehlern 59 5.2 Datenverarbeitung 59 5.3 Ermittlung einer optimierten piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix 60 5.3.1 Bestimmung der vorläufigen Eigenschaftsmatrix 61 5.3.2 Berechnung einer optimierten Eigenschaftsmatrix und Minimierung der Messfehler 64 5.4 Bestimmung der Phasenlage mittels Röntgen- Diffraktometrie- Untersuchungen 65 5.5 Temperatur- und Zusammensetzungs- Eigenschafts- Mappings 71 5.6 Einführung von „Pseudo- Phasengrenzen“ 72 6 Ergebnisse und Diskussion 75 6.1 Ergebnisse der keramographischen Untersuchungen 75 6.2 Ergebnisse der XRD Untersuchungen 80 6.3 Ergebnisse der temperaturabhängigen Kleinsignalimpedanzmessungen 85 6.4 Korrelation von Phasenlage und PbZrO3-Anteil 91 6.5 Erstellen einer vollständigen, kohärenten Eigenschaftsmatrix an einem konkreten Beispiel 100 6.6 Selbstkonsistenzprüfung anhand eines FEM Modells in ANSYS 112 6.7 Bestimmung der Phasenlage anhand einfacher, temperaturabhängiger Messungen 118 6.7.1 Bestimmung der absoluten Phasenlage bei Proben des Systems PZT/SKN 119 6.8 Fehlerdiskussion 121 7 Zusammenfassung 123 8 Ausblick 124 9 Abschließende Anmerkungen 125 10 Literaturverzeichnis 126 / Piezoceramic materials based on Lead- Zirconate- Titanate (PZT) show extreme electromechanic properties in the area of morphotropic phase transition. PZT materials can be tailored to specific demands by modifying the ratio of volume of the rhombohedral and tetragonal phase within the micro structure. A method was introduced to accurately determine a complete and mathematically coherent set of piezoelectric small signal coefficients. This was done over a wide range of temperature (-200°C…+200°C) and phase composition (0…1 rh/tet). Additionally, the piezoelectric properties were correlated to the ratio of rhombohedral and tetragonal phases.:Danksagung II Symbolverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis VI Inhalt VII 1 Einleitung 1 1.1 Piezoelektrische Werkstoffe 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Materialsystem 3 1.4 Lösungsansatz 3 2 Grundlagen 5 2.1 Klassifizierung dielektrischer Keramiken 5 2.1.1 Wirkung elektrischer Felder auf dielektrische, keramische Werkstoffe 5 2.1.2 Piezoelektrizität einkristalliner und keramischer Dielektrika 7 2.1.3 Pyroelektrizität keramischer Dielektrika 8 2.1.4 Ferroelektrizität keramischer Dielektrika 8 2.2 Piezokeramische Werkstoffe des Systems PZT 10 2.2.1 Blei- Zirkonat- Titanat (PZT) 11 2.2.2 Domänenstruktur des PZT 12 2.2.3 Intrinsische und extrinsische Beiträge zu den piezoelektrischen Eigenschaften nach der Polung 13 2.2.4 Der morphotrope Phasenübergang im PZT 14 2.2.5 Entwicklung von PZT Werkstoffen mit spezifischen Eigenschaften 15 2.2.6 Das Werkstoffsystem Pb(ZrXTi1-X)O3-Sr(K0,25 Nb0,75)O3 (PZT/SKN) 18 2.3 Das Phasendiagramm des Werkstoffsystems PZT 20 2.4 Beschreibung der piezoelektrischen Eigenschaften 26 2.4.1 Die Komponenten der piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix für perowskitische, piezokeramische Werkstoffe 28 2.4.2 Definition der Kohärenz von piezoelektrischen Eigenschaftsmatrizen 30 2.4.3 Mathematische Kohärenz 30 2.4.4 Physikalische Konsistenz 31 2.5 Schwingungsmoden piezokeramischer Probenkörper 32 2.5.1 Longitudinalschwingung (3-3 Schwingung) 34 2.5.2 Transversalschwingung (3-1 Schwingung) 34 2.5.3 Planarschwingung (Radial- Schwingung) 35 2.5.4 Dicken- Dehnungs- Schwingung (Dickenschwingung) 35 2.5.5 Dicken- Scher- Schwingung (1-5 Schwingung) 36 3 Messmethoden 37 3.1 Bestimmung der Matrix der piezoelektrischen Komponenten nach DIN Standard 37 3.2 Impedanzanalyse 38 3.2.1 Das Impedanzspektrum piezoelektrischer Proben 39 3.3 Röntgen- Diffraktometrie (XRD) 43 4 Experimentelle Durchführung 45 4.1 Verwendete Werkstoffe und Probenvorbereitung 46 4.1.1 Dichtebestimmung 48 4.2 Temperaturabhängige Kleinsignalimpedanzmessung 49 4.3 Röntgen– Diffraktometrie– Untersuchungen (XRD) 56 4.4 Keramographie 58 4.5 Automatisierung des Messsystems 59 5 Datenaufbereitung und Primärdatenerfassung 59 5.1 Kompensation von Messfehlern 59 5.2 Datenverarbeitung 59 5.3 Ermittlung einer optimierten piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix 60 5.3.1 Bestimmung der vorläufigen Eigenschaftsmatrix 61 5.3.2 Berechnung einer optimierten Eigenschaftsmatrix und Minimierung der Messfehler 64 5.4 Bestimmung der Phasenlage mittels Röntgen- Diffraktometrie- Untersuchungen 65 5.5 Temperatur- und Zusammensetzungs- Eigenschafts- Mappings 71 5.6 Einführung von „Pseudo- Phasengrenzen“ 72 6 Ergebnisse und Diskussion 75 6.1 Ergebnisse der keramographischen Untersuchungen 75 6.2 Ergebnisse der XRD Untersuchungen 80 6.3 Ergebnisse der temperaturabhängigen Kleinsignalimpedanzmessungen 85 6.4 Korrelation von Phasenlage und PbZrO3-Anteil 91 6.5 Erstellen einer vollständigen, kohärenten Eigenschaftsmatrix an einem konkreten Beispiel 100 6.6 Selbstkonsistenzprüfung anhand eines FEM Modells in ANSYS 112 6.7 Bestimmung der Phasenlage anhand einfacher, temperaturabhängiger Messungen 118 6.7.1 Bestimmung der absoluten Phasenlage bei Proben des Systems PZT/SKN 119 6.8 Fehlerdiskussion 121 7 Zusammenfassung 123 8 Ausblick 124 9 Abschließende Anmerkungen 125 10 Literaturverzeichnis 126

Currently the system development of aircraft engineering concentrates its focus on the reduction of energy consumption more than ever before. As a consequence, the efficiency of subsystems inside the aircraft is highlighted. According to previous investigations the simplification/unification of conventional multifaceted board energy systems by means of electric power management is the most promising way concerning aircraft global efficiency improvement. The main aim of the present work was to optimize a multi-device, heavy duty EHA-System by introducing of a comprehensive perspective. In order to achieve the final, non-plus-ultra improvement level, the attributes of architecture, hardware and operation method were combined in an interactive manner, whereas particular attention has been paid to the mutual enhancing influences. The maximum reduction of losses, the minimizing of consumption and weight optimization can be achieved concurrently when the physical coherences between the involved subsystems are understood and their hidden potentials are exploited. This can only be achieved in one way and the detail follows: The most effective way to reduce both manufacturing effort and weight is to introduce a multiple-allocation philosophy. The highest reliability possible can be achieved by novel cascade-nested system architecture and strict restraining of the control logic. By employing an ultra-low-loss hardware concept, the energy efficiency can be maximized at a necessary minimum own weight. Last but not least, possibly the most important cognition is that an intelligent operation method will improve the actual system and influence the entire system positively and with a lower effort. The final conclusion is that the only and reasonable way to achieve an ultimate optimized solution of an actuation system is an all-encompassing consideration. Eventually it was to recognize that the final result is nothing but ultimate lightweight architecture, i.e. a non-plus-ultra solution. / Gegenwärtig konzentriert sich die Technologieentwicklung für Flugzeuge auf die Reduktion des Energieverbrauchs mehr denn je zuvor. Hierfür ist die Effizienz der an Bord befindlichen, nicht propulsiven Subsysteme neben der Wirkungsgradverbesserung der Triebwerke von zentraler Bedeutung. Laut vorangegangenen Untersuchungen und Studien ist die Vereinfachung bzw. Vereinheitlichung der Vielfalt der konventionellen Bordenergiesysteme durch ein adäquates Energiemanagement unter Verwendung von Elektrizität der aussichtsreichte Weg zur Effizienzverbesserung auf der Gesamtflugzeugebene. Durch die Elektrifizierung wurden die einzelnen Geräte zwar zuverlässiger und energieeffizienter als je zuvor aber gleichzeitig erheblich schwerer, sodaß ein signifikanter Verlust an Nutzlasten auf Gesamtflugzeugebene hervorgerufen wird. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Schwerlast-EHA-System mit mehrfachen Betätigungseinheiten durch Einführung von umfassenden Perspektiven zu optimieren. Durch Einführung der sog. ganzheitlichen Leichtbauweise demonstriert die Arbeit, wie das Subsystem mit mehreren Endgeräten ultimativ optimiert werden kann, ohne Abstriche an Gewichtsbilanz u/o Kompromiß mit der Energieeffizienz zu machen. Um eine wahrhaftige Optimierung, d.h. die Erreichung des ultimativen, Nonplusultra-Verbesserungslevels zu erreichen, wurden die Systemarchitektur, die Hardware und die Operationsmethode interaktiv kombiniert, wobei die besondere Aufmerksamkeit auf die interaktiven, zur Verbesserung führenden Einflüsse gelegt wurde. Die Minimierung des Energieverbrauchs und die ultimative Gewichtsoptimierung gleichzeitig können erreicht werden, wenn die physikalischen Zusammenhänge zwischen den involvierten Subsystemen verstanden und ihre verborgenen Potentiale ausgenutzt werden. Der einzige und vernünftige Weg zur Erreichung der ultimativen Optimierung eines Betätigungssystems ist eine allumfassende Betrachtung, also eine ganzheitliche Betrachtungs- bzw. Vorgehensweise.