University, Diss., 2003--Stuttgart.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

University, Diss., 2003--Bremen. / Enth. 3 Sonderabdr. aus verschiedenen Zeitschr.

Die Arbeit behandelt die Entwicklung von hybrid integrierten, mikromechanischen Ultraschallwandler-Arrays auf der Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Diese breitbandigen Wandlerarrays gestatten durch eine entsprechende Dimensionierung und elektronische Ansteuerung eine gerichtete steuerbare Schallabstrahlung in Flüssigkeiten, die beispielsweise in der Strömungsmessung Verwendung finden kann. Nach theoretischen Betrachtungen zu piezoelektrischen Einzel- und Mehrelementwandlern werden der Aufbau und die Präparation der Wandlerarrays vorgestellt. Eine umfassende Charakterisierung wird anhand von akustischen und laseroptischen Messungen vorgenommen. Dabei wird besonderer Wert auf die Klärung von elektrischen und mechanischen Wechselwirkungen im Inneren der Wandler gelegt, um Erscheinungen wie Kopplungen zwischen Einzelelementen und Notwendigkeit sowie Einflüsse einer Passivierungsschicht zu erklären. Es werden Methoden und Ergebnisse der Simulation derartiger Wandlerarrays vorgestellt. Abschließend werden die Vorteile des Einsatzes solcher Arrays am Beispiel der akustischen Durchflußmessung aufgezeigt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt. / Dateien in unterschiedlichen Formaten.-Enth.: Textteil. CD-Daten.

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 Arbeit behandelt die Entwicklung von hybrid integrierten, mikromechanischen Ultraschallwandler-Arrays auf der Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Diese breitbandigen Wandlerarrays gestatten durch eine entsprechende Dimensionierung und elektronische Ansteuerung eine gerichtete steuerbare Schallabstrahlung in Flüssigkeiten, die beispielsweise in der Strömungsmessung Verwendung finden kann. Nach theoretischen Betrachtungen zu piezoelektrischen Einzel- und Mehrelementwandlern werden der Aufbau und die Präparation der Wandlerarrays vorgestellt. Eine umfassende Charakterisierung wird anhand von akustischen und laseroptischen Messungen vorgenommen. Dabei wird besonderer Wert auf die Klärung von elektrischen und mechanischen Wechselwirkungen im Inneren der Wandler gelegt, um Erscheinungen wie Kopplungen zwischen Einzelelementen und Notwendigkeit sowie Einflüsse einer Passivierungsschicht zu erklären. Es werden Methoden und Ergebnisse der Simulation derartiger Wandlerarrays vorgestellt. Abschließend werden die Vorteile des Einsatzes solcher Arrays am Beispiel der akustischen Durchflußmessung aufgezeigt.

Conventional micro-meteorological measuring methods are not particularly suitable for the investigation of the energy exchange under heterogeneous surface conditions. To consider the influence of the different surface properties, area-covered and spatially averaged meteorological measurements in combination with highly resolved simulations are necessary. In this context, the method of acoustic travel time tomography is introduced to provide information about the horizontal temperature and wind field. Within a field experiment (STINHO-1; Melpitz 2001) the tomographic system and conventional meteorological equipment were utilised inside the investigation area with an extension of several hundred meters (300 x 700 m2), which was arranged over areas with different surface properties: grassland and bare soil. The results of the field experiment show that differences between the measuring systems (insitu and remote sensing) exist and the heterogeneity of the underlying surface is visible in the near surface temperature and wind field at a scale, which can be resolved with highly resolved numerical models. Depending on the incoming solar radiation and the local advection regional distinctions in the air temperature and wind field as well as in the vertical sensible heat fluxes were observed. The investigations demonstrate that the sensitivity of the Acoustic Tomography is sufficient to verify gradients in the meteorological fields even when the horizontal differences are small. / Zur Untersuchung des Energieaustausches über heterogenem Gelände sind konventionelle mikro-meteorologische Messungen und Modellvorstellungen allein nicht ausreichend. Um den Einfluss unterschiedlicher Oberflächen besser berücksichtigen zu können, sind flächendeckende und räumlich mittelnde meteorologische Messungen kombiniert mit hoch aufgelösten numerischen Simulationen notwendig.In diesem Kontext wird die Methode der Akustischen Laufzeitomographie vorgestellt, mit der horizontale Wind- und Temperaturfelder in geeigneter Weise bereitgestellt werden können. Im Rahmen eines Feldexperimentes (STINHO-1; Melpitz 2001) wurde das tomographische System zusammen mit konventionellen meteorologischen Geräten in einem Untersuchungsgebiet mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Metern (300 x 700 m2) über unterschiedlichen Oberflächen (Wiese und gepflügter Acker) eingesetzt. Die Ergebnisse des Feldexperimentes zeigen, dass Unterschiede zwischen den einzelnen Messverfahren existierten und die Heterogenität der Unterlage in den oberflächennahen Temperatur- und Windfeldern auf einer Skala sichtbar ist, die mit kleinskaligen numerischen Modellen aufgelöst werden kann. Die vorgestellten Untersuchungen demonstrieren, dass die Sensitivität der Akustischen Tomographie hinreichend ist, um Gradienten meteorologischer Felder auch bei geringeren horizontalen Unterschieden nachzuweisen.

The method of acoustic tomography, based on external sonic energy, is applied inside the atmospheric surface layer to observe near-surface temperature fields. Important advantages of this technique as compared to other measurement methods are their remote-sensing capacity and the possibility to directly derivate area-averaged meteorological quantities. The needed input data for the tomographically inverse algorithm are provided by the interaction of sound waves with the scanned atmospheric layer. The resulting horizontal slices lead to statements on the inhomogeneity of the underlying surface which may result in noticeable difficulties during the analysis of measuring campaigns with conventional methods. / Die auf der Aussendung von Schallenergie basierende Methode der akustischen Tomographie wird in der atmosphärischen Bodenschicht angewendet, um bodennahe Temperaturfelder zu beobachten. Bedeutende Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zu anderen Meßmethoden sind die Fernerkundungskapazität und die Möglichkeit, flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt abzuleiten. Die für den tomographischen Invertierungsalgorithmus benötigten Eingangsdaten werden durch die Wechselwirkung von Schallwellen mit der durchstrahlten Luftschicht bereitgestellt. Die resultierenden horizontalen Schnittbilder führen zu Darstellungen der Inhomogenität der Oberfläche. Letztere können beachtliche Schwierigkeiten während der Analyse von Messkampagnen mit konventionellen Methoden hervorrufen.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of areally averaged meteorological quantities as the air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed were used to obtain estimates of the meteorological parameters. A measuring campaign was carried out at the test site in Lindenberg (DWD) to compare the acoustically derived data with conventional systems. These observations demonstrated that on one side the accuracy of the acoustic system is comparable with in-situ measurements and on the other side the temperature was particularly significant overestimated by the standard sensors, e.g. due to the radiation influence. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein experimentelles Verfahren zur Sondierung meteorologischer Parameter, wie z.B. der Lufttemperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren nutzt die horizontale Ausbreitung von Schallwellen in der atmosphärischen Grenzschicht. Hier wird das Verfahren der Laufzeittomographie angewendet, d.h. bei bekannter Weglänge wird die Ausbreitungszeit von ausgesendeten Schallsignalen zwischen mehreren Schallquellen und Empfängern gemessen. Die resultierenden Schallgeschwindigkeitsinformationen werden genutzt, um daraus die entsprechenden meteorologischen Parameter abzuleiten. Auf dem Gelände des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg (DWD) wurde eine Messkampagne durchgeführt, um die akustischen Sondierungen mit konventionellen Systemen zu vergleichen. Die Auswertungen zeigen, dass einerseits die Genauigkeit der Akustischen Tomographie vergleichbar mit den konventionellen in-situ Messungen ist und andererseits, dass die Lufttemperatur aufgrund des Strahlungseinflusses bei Messungen mit den üblichen Sensoren zum Teil erheblich überschätzt wird.