Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Chemnitz.

Mit dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Weiterentwicklung der akustischen lasermesstechnischen Verfahren zur Ermittlung von mechanischen und elastischen Eigenschaften von mikromechanischen Mehrschichtsystemen geleistet. Zu diesen Eigenschaften zählen das E-Modul, die Dichte, die Dicke sowie die Poissonzahl. Die meisten akustischen lasermesstechnischen Verfahren basieren auf der optischen Erzeugung von breitbandigen akustischen Wellen in einem Schichtsystem und der Ermittlung der Geschwindigkeit dieser Wellen durch eine Zweipunkte-Messung. Durch die spektrale Analyse des Wellenzuges an den zwei Messpunkten wird die Dispersionskurve als Relation zwischen Geschwindigkeit und Frequenz der Welle ermittelt. Ausgehend von geeigneten Modellen des Schichtsystems werden die mechanischen und elastischen Eigenschaften des Schichtsystems so lange variiert, bis eine Übereinstimmung zwischen modellierter und gemessener Dispersionskurve stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wurde die optische Erzeugung der akustischen Wellen schmalbandig realisiert. Dadurch wurde die Zweipunkte-Messung durch eine Einpunktmessung ersetzt und damit die Ungenauigkeit der Wegmessung eliminiert. Außerdem wird die spektrale Analyse des Wellenzuges auf eine einfachere FFT-Berechnung reduziert. Bei der Modellierung wurde ein bestehendes Randelementenmodell auf eine unbegrenzte Zahl von Schichten innerhalb vom Schichtsystem erweitert. In diesem erweiterten Modell ist es möglich, beliebige Kombinationen von Eigenschaften unterschiedlicher Schichten gleichzeitig zu ermitteln. Außerdem können Mehrschichtsysteme mit beliebiger kristalliner Orientierung der Schichten untersucht werden. Um die Grenzen des entwickelten Verfahrens zu zeigen, wurden verschiedene Mehrschichtsysteme untersucht. Darunter ist z.B. ein Schichtsystem mit einer hexagonal angeordneten AIN-Schicht. Weiterhin wurde ein Schichtsystem mit einem sehr niedrigen messbaren Dispersionseffekt von weniger als 1% (polykristalline Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat) untersucht. Außerdem wurde ein Schichtsystem mit einer Silizium-Germanium-Mischschicht untersucht und aus den Parametern E-Modul, Dichte und Poissonzahl die Germaniumkonzentration in der Schicht ermittelt. / This thesis represents a further development of the existing laser acoustic techniques for the measurement of mechanical and elastic properties of micromechanical multi layer systems. Most of the existing laser acoustic techniques are based on the optothermal generation of broadband surface acoustic waves in a layer system. To measure the velocity of the generated waves, a two points measurement of the wave train is typically performed. From the analysis of the spectrum of the wave trains at the two points, a dispersion curve (velocity of the surface acoustic wave against frequency) can be determined experimentally for the layer system. The dispersion relation is also determined through an appropriate model for the layer system. When the mechanical and elastic properties of the layer system are changed in the model, until the modeled and the experimental dispersion curves match in a least square sense, then the mechanical and elastic properties are found. In the present thesis, the optothermal generation of the surface acoustic waves is performed in a narrowband setup. A second point for the measurement of the acoustic wave train is not needed. The use of only one measurement point instead of two ameliorates the accuracy of the measurement (no distance measurement between two points is needed). Further, no spectrum analysis of the wave train is replaced with a simpler FFT. From the frequency of the wave train and the given wavelength from the generation mask, the velocity for each frequency can be determined easily. For the modeling of the dispersion curve, an existing BEM model is expanded to consider an unlimited number of layers. In this new model, any combination of properties can be determined for layers and substrates with any cristalline orientation given. The developed method is used to determine the properties of many challenging multi layer systems.One layer system has an AIN layer with a hexagonal structure. Another layer system has a very low dispersion effect of less than 1% velocity difference over the frequency range (polycristalline silicon on a silicon substrate). Another layer system contains a Silicon-Germanium layer. From the measured properties Young's modules, density and Poisson ration of this layer, the germanium concentration is determined.

Die vorgestellte Methode der akustischen Tomographie (Simultane Iterative Rekonstruktionstechnik) und ein spezieller Auswertungsalgorithmus können flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt bereitstellen. Somit werden zur Validierung numerischer mikroskaliger Atmosphärenmodelle weitgehend konsistente Daten geliefert. Das Verfahren verwendet die horizontale Ausbreitung von Schallstrahlen in der atmosphärischen Bodenschicht. Um einen allgemeinen Überblick zur Schallausbreitung unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu erhalten, wird ein zweidimensionales Schallausbreitungsmodell genutzt. Von Messungen der akustischen Laufzeit zwischen Sendern und Empfängern an verschiedenen Punkten in einem Meßfeld kann der Zustand der durchquerten Atmosphäre abgeschätzt werden. Die Ableitung flächengemittelter Werte für die Schallgeschwindigkeit und der daraus deduzierten Lufttemperatur resultiert aus der Inversion der Laufzeitwerte für alle möglichen Schallwege. Das angewandte zweidimensionale Tomographiemodell mit geradliniger Schallstrahlapproximation stellt dabei geringe Computeranforderungen und ist auch während des online-Betriebes einfach zu handhaben. / The presented method of acoustic tomography (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique) and a special algorithm of analysis can directly provide area averaged values of meteorological quantities. As a result rather consistent data will be delivered for validation of numerical atmospheric rnicro-scale models. The procedure uses the horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. To obtain a general overview of the sound propagation under various atmospheric conditions a two-dimensional ray-tracing model is used. The state of the crossed atmosphere can be estimated from measurements of acoustic travel time between sources and receivers on different points in an tomographic array. Derivation of area averaged values of the sound speed and furthermore of air temperature results from the inversion of travel time values for all possible acoustic paths. Thereby, the applied straight-ray two-dimensional tomographic model is characterised as a method with small computational requirements and simple handling, especially, during online working.

Die akustische Laufzeittomographie ist ein Fernerkundungsverfahren, mit dem zweidimensionale horizontale Verteilungen von Wind und Temperatur in der von turbulenten Prozessen charakterisierten atmosphärischen Grenzschicht bestimmt werden können. Um die Fähigkeit des tomographischen Invertierungsalgorithmus zur Auflösbarkeit bestimmter turbulenter Strukturen zu testen, werden Sensitivitätsstudien durchgeführt. Hierzu wird eine Temperaturzeitreihe erzeugt, deren Spektrum eine charakteristische turbulente Struktur aufgeprägt wird. Nach der Verteilung dieser Temperaturen auf ein zweidimensionales Feld entsprechend einer vorgegebenen Messgeometrie (bekannte Laufwege) können diese Werte in Laufzeiten umgerechnet werden. Die erzeugten künstlichen Messwerte dienen neben den Positionsdaten der Sender und Empfänger als Eingangsgrößen für den Invertierungsalgorithmus. Die nachfolgende Rekonstruktion der meteorologischen Felder aus den Eingangsdaten, deren Analyse und der Vergleich mit den simulierten Reihen ermöglicht es, den Einfluss des verwendeten Algorithmus auf die Datenstruktur abzuschätzen. Des Weiteren wurden bei den Simulationen reale Messbedingungen nachgestellt. Hierzu wurde die systembedingte maximale Wiederholrate einer Einzelmessung, sowie die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Schalllaufzeit berücksichtigt. / Acoustic travel time tomography is a remote sensing method to determine two-dimensional horizontal distributions of wind and temperature within the atmospheric boundary layer which is dominated by turbulent processes. To investigate the capability of the tomographic inversion algorithm to solve definite turbulent structures, sensitivity studies have been carried out. For that purpose, temperature time series have been generated and a characteristic turbulent structure has been impressed upon their frequency spectra. After distributing these data to a two-dimensional field which arises from the measuring geometry, i.e. the distribution of sound sources and receivers, and the chosen tomographic grid-cell-dimension, the temperature data can be converted to travel times according to the sound ray paths through the tomographic grid. These synthetic travel time data as well as the positions of the sound sources and receivers have been used as the input parameters for the tomographic inversion algorithm. The following reconstruction of the meteorological fields from the input values, their analysis and comparison to the simulated time series and the corresponding spectra allow an estimation of the capability of the inversion algorithm used to solve turbulent structures. Furthermore, real measuring conditions have been simulated. To that purpose, the maximal repeat rates of an individual measurement as well as the uncertainties of the tomographic system have been considered.

Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zugl.: Bochum, University, Diss., 2007. / Diss. hat einen Parallelsachtitel in dt. Sprache.

Zugl.: Bamberg, Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.