Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eignen sich durch ihre Leichtbaueigenschaften hervorragend für den Einsatz in schnell drehenden Strukturen, wie elektrischen Maschinen, Turbomaschinen oder Schwungrad-Energiespeichern. Zur Entwicklung solcher Rotoren sind numerische Modelle zur Versagensprädiktion nötig, die durch ortsaufgelöste In-Situ-Messungen während der Rotation validiert und kalibriert werden müssen. Hierbei ist das rotationslastabhängige Deformations-, Schädigungs- und Modalverhalten von besonderem Interesse. Mit lokalen elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen, ist keine Vollfeldmessung möglich. Mit optischen Nahfeldmethoden, wie der digitalen Bildkorrelation, kann die nötige Robustheit gegenüber hohen Oberflächengeschwindigkeiten und Out-of-Plane-Bewegungen nicht erreicht werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Auswertung des Fernfeldes optischer Beugungsgitter die orts- und zeitaufgelöste Messung von Deformationsfeldern mit hoher Robustheit gegenüber der Oberflächengeschwindigkeit möglich ist. Es konnte erstmals das drehzahlabhängige Dehnungsfeld mit Messunsicherheiten zwischen 100 und 300 μm/m und Ortsauflösungen unter einem Quadratmillimeter bei Oberflächengeschwindigkeiten über 250 m/s gemessen werden. Hierdurch konnte die Messung der Propagation von Zwischenfaserbrüchen auf einem FVK-Rotor orts- und drehzahlaufgelöst demonstriert werden. Weiterhin konnten mit den Beugungsgittersensoren die drehzahlabhängigen Frequenzgänge und Eigenformen im Rahmen einer experimentellen Modalanalyse erfasst werden. Somit werden erstmals In-Situ-Messungen des Einflusses von graduell mit der Rotationslast fortschreitenden Schädigungen auf das Modalverhalten von rotierenden FVK-Strukturen mit einem einzelnen kompakten Sensorsystem möglich.:Kurzfassung/Abstract I Danksagung IV Inhaltsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV Acronyme XV Symbole XVII 1. Einleitung 1 1.1. Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3. Ansatz und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4. Spezifizierung der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5. Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. Prinzip der Deformationsmessung mit dem Beugungsgittersensor (BGS) 11 2.1. Zweidimensionales Messmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Ortsauflösung vs. Dehnungsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Vorteile der fernfeldbasierten Deformationsmessung an schnell rotierenden Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Dreidimensionales Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5. Unsicherheit durch Nutzung des zweidimensionalen Messmodells . . . . 22 2.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 VII 3. Kompakter Zeilensensoraufbau zur Messung an schnell rotierenden Strukturen 27 3.1. Aufbau und Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Messung der In-Plane-Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1. Systematische Unsicherheiten durch Starrkörperbewegungen . . 32 3.3.2. Wellenlängendrift und zufällige Messunsicherheit . . . . . . . . . 39 3.3.3. Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4. Validierung und Charakterisierung im quasistatischen Zugversuch . . . 42 3.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung im quasistatischen Zugversuch 49 4.1. Versuchsaufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2. Statistischer Vergleich der BGS- und DIC-Ergebnisse . . . . . . . . . . 52 4.3. Detektion und Lokalisation von Schädigungen . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung an einer rotierenden GFK-Struktur 59 5.1. Aufbau und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.2. Messung der radialen Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3. Messung der Oberflächenneigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.4. Messung der Oberflächendehnung und der Schadenspropagation . . . . 67 5.4.1. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4.2. Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.3. Dehnungsfeld und Schädigungslokalisation . . . . . . . . . . . . 71 5.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6. Experimentelle Modalanalyse an einer rotierenden GFK-Struktur 79 6.1. Messung des Frequenzgangs an rotierenden Strukturen . . . . . . . . . 80 6.2. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3. Experimentelle Validierung und Vergleich der Auswertemethoden . . . 86 VIII 6.4. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5. Frequenzgänge und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.6. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7. Zusammenfassung und Ausblick 95 A. Messunsicherheitsbetrachtungen zu digitaler Bildkorrelation (DIC) 99 A.1. Makroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 A.2. Mikroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 A.3. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B. Anhang zu Kapitel 2 105 B.1. Vereinfachtes 2D-Messmodell durch Reihenentwicklung . . . . . . . . . 105 B.2. Anhang zu Abschnitt 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 C. Anhang zu Kapitel 3 109 C.1. Ausrichtung des Beleuchtungsstrahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 C.2. Schätzung der systematischen Messunsicherheit bei der Validierungsmessung der BGS-Ausleseeinheit im quasistatischen Zugversuch . . . . 109 C.3. Anhang zur Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 C.4. BGS-Ausleseeinheit mit Matrixkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 D. Anhang zu Kapitel 4 121 Literaturverzeichnis 125 Lebenslauf 141 Betreute studentische Arbeiten 144 Publikationen 146

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und die Anfertigung eines 3D Erdfeld-NMR Tomographen, um damit die benötigte Technik der MR eines MR-MPI-Tomographen am Lehrstuhl zu etablieren. Daraufhin wurden alle nötigen Komponenten für ein komplettes 3D Erdfeld-NMR-System entwickelt, gebaut und getestet. Mit diesem Wissen wurde in enger Zusammenarbeit mit der MPI-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl ein multimodaler MR-MPI-Tomograph angefertigt und die prinzipielle Machbarkeit der technischen Kombination dieser zwei Modalitäten (MRT/MPI) in einer einzigen Apparatur gezeigt. Auf diesem Entwicklungsweg sind zusätzlich innovative Systemkomponenten entstanden, wie der Bau eines neuen Präpolarisationssystems, mit dem das Präpolarisationsfeld kontrolliert und optimiert abgeschaltet werden kann. Des Weiteren wurde ein neuartiges 3D Gradientensystem entwickelt, das parallel und senkrecht zum Erdmagnetfeld ausgerichtet werden kann, ohne die Bildgebungseigenschaften zu verlieren. Hierfür wurde ein 3D Standard-Gradientensystem mit nur einer weiteren Spule, auf insgesamt vier Gradientenspulen erweitert. Diese wurden entworfen, gefertigt und anhand von Magnetfeldkarten ausgemessen. Anschließend konnten diese Ergebnisse mit der hier präsentierten Theorie und den Simulationsergebnissen übereinstimmend verglichen werden. MPI (Magnetic Particle Imaging) ist eine neue Bildgebungstechnik mit der nur Kontrastmittel detektiert werden können. Das hat den Vorteil der direkten und eindeutigen Detektion von Kontrastmitteln, jedoch fehlt die Hintergrundinformation der Probe. Wissenschaftliche Arbeiten prognostizieren großes Potential, die Hintergrundinformationen der MRT mit den hochauflösenden Kontrastmittelinformationen mittels MPI zu kombinieren. Jedoch war es bis jetzt nicht möglich, diese beiden Techniken in einer einzigen Apparatur zu etablieren. Mit diesem Prototyp konnte erstmalig eine MR-MPI-Messung ohne Probentransfer durchgeführt und die empfindliche Lokalisation von Kontrastmittel mit der Überlagerung der notwendigen Hintergrundinformation der Probe gezeigt werden. Dies ist ein Meilenstein in der Entwicklung der Kombination von MRT und MPI und bringt die Vision eines zukünftigen, klinischen, multimodalen MR-MPI-Tomographen ein großes Stück näher. / Developement of an 3D MRI System for Earth Field MRI and the Kombination with MPI

Mit der vorliegenden Arbeit werden konventionelle thermische Kraftwerke an deutschen Flüssen identifiziert, bei denen aufgrund hoher Flusswassertemperaturen im Zusammenhang mit wasserrechtlichen Grenzwerten Leistungseinschränkungen auftraten. Weiterhin wird aufgezeigt, wie sich die Wassertemperaturen der Flüsse in der Vergangenheit (rezent) entwickelt haben und wie sie sich zukünftig im Kontext des Klimawandels entwickeln könnten. Mittels Literaturrecherche, Medienanalyse und schriftlicher Befragung wurden konventionelle thermische Kraftwerke identifiziert, welche wassertemperaturbedingte Leistungseinschränkungen verzeichneten. Die meisten dieser Leistungseinschränkungen zwischen 1976 und 2007 zeigen sich bei großen Kraftwerken mit einer elektrischen Bruttoleistung über 300 Megawatt, bei Steinkohle- und Kernkraftwerken, bei Kraftwerken mit Durchlaufkühlung und bei solchen, die zwischen 1960 und 1990 in Betrieb gingen. Trendanalysen interpolierter und homogenisierter, rezenter Wassertemperaturzeitreihen deutscher Flüsse ergeben positive Trends v. a. im Frühjahr und Sommer. Die Zählstatistik zeigt in den Jahren 1994, 2003 und 2006 die meisten Tage mit sehr hohen und extrem hohen Wassertemperaturen in den Sommermonaten. In diesen Jahren traten gleichzeitig 63 % aller identifizierter wassertemperaturbedingter Leistungseinschränkungen bei Kraftwerken, meist zwischen Juni und August, auf. Für die Trendanalysen und den Mittelwertvergleich simulierter zukünftiger Wassertemperaturzeitreihen wurden drei Szenarien – B1, A1B und A2 sowie drei Zukunftsperioden 2011-2040, 2011/2041-2070, 2011/2071-2100 betrachtet. Es ergeben sich für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- oder A2-Szenarios in mindestens einem der Sommermonate eine Erwärmung und für das B1-Szenario negative oder keine Trends. Die mittleren Wassertemperaturen der Zukunftsperiode 2011-2040 zeigen in allen drei Szenarien gegenüber denen der Klimanormalperiode 1961-1990 positive Unterschiede in mindestens einem der Sommermonate. Für die beiden späteren Zukunftsperioden bis 2070 bzw. bis 2100 liegen in allen Wassertemperaturzeitreihen der drei Szenarien im Sommer positive Trends bzw. Differenzen gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode vor. Durch die Synthese der drei Analysen ist erkennbar, dass Isar, Rhein, Neckar, Saar, Elbe und Weser die meisten Kraftwerksstandorte mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen verzeichnen. Es zeigen sich hier positive Trends sowohl in den rezenten als auch zukünftigen Wassertemperaturen für die Zukunftsperiode 2011-2040 des A1B- und A2-Szenarios in jeweils mindestens einem der Sommermonate. Gegenüber den mittleren Wassertemperaturen der Klimanormalperiode liegen für alle drei Szenarien positive Unterschiede der Wassertemperaturen vor. Bei einer Kraftwerkslaufzeit von 40-50 Jahren und einem Kernenergieausstieg 2022 bzw. 2034, werden 48-64 % bzw. 67-91 % der Kraftwerke mit wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen bis 2022 bzw. 2034 außer Betrieb gehen. Bei einer Laufzeitverlängerung würden nach 2022 fünf der elf betroffenen Kernkraftwerke weiter am Netz bleiben. Somit kann es wieder zu wassertemperaturbedingten Leistungseinschränkungen kommen. In Deutschland sind nach wie vor große Kraftwerke an Flüssen geplant. Deren Kühlsysteme müssen entsprechend ausgewählt und konstruiert werden, um der zu erwartenden Erhöhung der Flusstemperaturen Rechnung zu tragen. / The research described in this thesis identified a subset of German power plants that suffered from power generation reductions (WT-GR) due to high water temperature (WT) of the rivers along which they lie and due to statutory thresholds concerning mixed WT after waste heat discharge. An analysis of the recent WT and a prediction of those temperatures due to global warming were conducted. Power plants with WT-GR were identified based on a through literature search, scan of press releases and surveys. Most of WT-GR in the years between 1976 and 2007 occured in a) power plants with a gross power output of larger than 300 MW b) black coal and nuclear power plants c) power plants with once-through cooling system and d) power plants, which started operation between 1960 and 1990. Trend analysis of interpolated and harmonised recent WT of German rivers shows rising trends, predominantly in the spring and summer. Statistical analysis on numbers indicates most of days per year with either ‘very high’ or ‘extremely high’ WT in the years 1994, 2003 and 2006 in the summer. Those years also represent 63 % of all identified WT-GR, mostly between the months of June and August. The simulation of future WT considered three scenarios (named B1, A1B and A2) and three different time periods (TP) (2011-2040, 2011/2041-2070 and 2011/2071-2100). The trend analysis for 2011-2040 shows an increase in WT of the A1B and A2 scenario for at least one summer month and negative or no trends for the B1 scenario. Positive differences exist between mean WT of all three scenarios for TP 2011-2040 and mean WT of climate normal period (CNP) for at least one summer month. Estimates for the TP 2011/2041-2070 and 2011/2071-2100 and the three scenarios also show rising trends and an increase in mean WT in comparison to the CNP. Integration of above mentioned analyses indicates that plants along the rivers Isar, Rhine, Neckar, Saar, Elbe and Weser suffered most of WT-GR. Positive trends were identified by analyzing recent WT as well as the predictive WT for the period 2011-2040 and the scenarios A1B and A2 for at least one summer month. The average lifetime of a conventional thermal power plant in Germany is between 40 and 50 years. Hence it can be assumed that between 48-64 % and 67-91 %, respectively, of the power plants with an identified WT-GR will be decommissioned before 2022 and 2034, respectively, depending on the nuclear phaseout. In the case of hot summers further power generation reductions can be expected. The implication for new German power plants along rivers is that the selection, design and sizing of cooling systems must consider a further increase in river temperatures.

In this work concepts and circuits for local clock generation in low-power heterogeneous multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs) are researched and developed. The targeted systems feature a globally asynchronous locally synchronous (GALS) clocking architecture and advanced power management functionality, as for example fine-grained ultra-fast dynamic voltage and frequency scaling (DVFS). To enable this functionality compact clock generators with low chip area, low power consumption, wide output frequency range and the capability for ultra-fast frequency changes are required. They are to be instantiated individually per core. For this purpose compact all digital phase-locked loop (ADPLL) frequency synthesizers are developed. The bang-bang ADPLL architecture is analyzed using a numerical system model and optimized for low jitter accumulation. A 65nm CMOS ADPLL is implemented, featuring a novel active current bias circuit which compensates the supply voltage and temperature sensitivity of the digitally controlled oscillator (DCO) for reduced digital tuning effort. Additionally, a 28nm ADPLL with a new ultra-fast lock-in scheme based on single-shot phase synchronization is proposed. The core clock is generated by an open-loop method using phase-switching between multi-phase DCO clocks at a fixed frequency. This allows instantaneous core frequency changes for ultra-fast DVFS without re-locking the closed loop ADPLL. The sensitivity of the open-loop clock generator with respect to phase mismatch is analyzed analytically and a compensation technique by cross-coupled inverter buffers is proposed. The clock generators show small area (0.0097mm2 (65nm), 0.00234mm2 (28nm)), low power consumption (2.7mW (65nm), 0.64mW (28nm)) and they provide core clock frequencies from 83MHz to 666MHz which can be changed instantaneously. The jitter performance is compliant to DDR2/DDR3 memory interface specifications. Additionally, high-speed clocks for novel serial on-chip data transceivers are generated. The ADPLL circuits have been verified successfully by 3 testchip implementations. They enable efficient realization of future low-power MPSoCs with advanced power management functionality in deep-submicron CMOS technologies. / In dieser Arbeit werden Konzepte und Schaltungen zur lokalen Takterzeugung in heterogenen Multiprozessorsystemen (MPSoCs) mit geringer Verlustleistung erforscht und entwickelt. Diese Systeme besitzen eine global-asynchrone lokal-synchrone Architektur sowie Funktionalität zum Power Management, wie z.B. das feingranulare, schnelle Skalieren von Spannung und Taktfrequenz (DVFS). Um diese Funktionalität zu realisieren werden kompakte Taktgeneratoren benötigt, welche eine kleine Chipfläche einnehmen, wenig Verlustleitung aufnehmen, einen weiten Bereich an Ausgangsfrequenzen erzeugen und diese sehr schnell ändern können. Sie sollen individuell pro Prozessorkern integriert werden. Dazu werden kompakte volldigitale Phasenregelkreise (ADPLLs) entwickelt, wobei eine bang-bang ADPLL Architektur numerisch modelliert und für kleine Jitterakkumulation optimiert wird. Es wird eine 65nm CMOS ADPLL implementiert, welche eine neuartige Kompensationsschlatung für den digital gesteuerten Oszillator (DCO) zur Verringerung der Sensitivität bezüglich Versorgungsspannung und Temperatur beinhaltet. Zusätzlich wird eine 28nm CMOS ADPLL mit einer neuen Technik zum schnellen Einschwingen unter Nutzung eines Phasensynchronisierers realisiert. Der Prozessortakt wird durch ein neuartiges Phasenmultiplex- und Frequenzteilerverfahren erzeugt, welches es ermöglicht die Taktfrequenz sofort zu ändern um schnelles DVFS zu realisieren. Die Sensitivität dieses Frequenzgenerators bezüglich Phasen-Mismatch wird theoretisch analysiert und durch Verwendung von kreuzgekoppelten Taktverstärkern kompensiert. Die hier entwickelten Taktgeneratoren haben eine kleine Chipfläche (0.0097mm2 (65nm), 0.00234mm2 (28nm)) und Leistungsaufnahme (2.7mW (65nm), 0.64mW (28nm)). Sie stellen Frequenzen von 83MHz bis 666MHz bereit, welche sofort geändert werden können. Die Schaltungen erfüllen die Jitterspezifikationen von DDR2/DDR3 Speicherinterfaces. Zusätzliche können schnelle Takte für neuartige serielle on-Chip Verbindungen erzeugt werden. Die ADPLL Schaltungen wurden erfolgreich in 3 Testchips erprobt. Sie ermöglichen die effiziente Realisierung von zukünftigen MPSoCs mit Power Management in modernsten CMOS Technologien.

The digital transformation of production and living is one research field with potential to overcome arising ecological and social problems. Digital technologies associated with the internet of things (IoT) enable new intelligent, sustainable and efficient production techniques. Massive monitoring and optimal controlling of industrial processes (smart fabrication) and human living (smart cities) ultimately results in the reduction of resource demands. Key parts of these new applications are microelectronic sensor read-out systems connected in IoT sensor networks, which measure and transmit multi-physical environmental parameters. In practical applications, large quantities (tens to hundreds) of sensor nodes are used. Circuitry with minimized power consumption is necessary to ensure long operation time and low maintenance cost. The motivation of this work is the development of a low-power, low-cost, microelectronic sensor read-out circuit, which combines flexibility of employed IoT sensor hardware with flexibility in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. This work covers design and implementation of an integrated multi-sensor analog frontend (AFE) with a near-zero power consumption below 10 μW, which offers above-state of the art, real-time configurability of key parameters and flexibility in application and technology. It aims for IoT environmental sensing applications, where energy-efficient, medium-speed and medium-resolution data acquisition of different environmental sensor signals is required. Its innovative architecture supports a wide variety of voltage ranges, frequency levels and sensor types, while maintaining energy-efficiency in different operation modes. Samples of the developed AFE are employed in autonomous sensor nodes for smart cities and smart factories, where they collect and process environmental parameters such as weather (light, temperature) and gases. The durable sensor nodes are operated by energy harvester sources and transmit data wirelessly, demonstrating one practical realization of an autonomous zero-power IoT network. Moreover, the technological flexibility of the AFE is investigated by migrating one key building block, which is the analog-to-digital converter, to different CMOS technologies. Conclusions for the optimal CMOS node for the entire AFE are drawn by performance comparison. / Die digitale Transformation von Industrie und Gesellschaft hat das Potential, zur Bewältigung bevorstehender ökologischer und sozialer Krisen beizutragen. Moderne digitale Technologien, wie das Internet der Dinge (engl. internet of things, IoT), ermöglichen intelligente Produktionsketten von nie dagewesener Effizienz und Nachhaltigkeit. Mit feingranularer Kontrolle und optimierter Steuerung soll schlussendlich der Ressourcenverbrauch von geregelten Prozessen, zum Beispiel in der smarten Fabrik und in der smarten Stadt, verringert werden. Schlüsseltechnologien dieser neuen Anwendungsfälle sind mikroelektronische Sensor-Auslese-Schaltungen, die multi-physikalische Umweltparameter messen und drahtlos in IoT-Netzwerke übertragen. In praktisch relevanten Szenarien bestehen solche Netzwerke aus dutzenden bis tausenden Sensorknoten. Unter unternehmerischen Gesichtspunkten sind lange Betriebszeiten ohne Batteriewechsel und geringe Wartungskosten notwendig, welche u. a. durch Elektronik mit minimalem Energieverbrauch erreicht werden können. Die Motivation dieser Arbeit ist die Entwicklung einer energiesparenden und kostengünstigen mikroelektronischen Sensor-Auslese-Schaltung, die Flexibilität in der Auswahl der eingesetzten IoTSensoren mit Flexibilität in der Auswahl der Halbleiter-Technologie (engl. complementary metal oxide semiconductor, CMOS) verbindet. Diese Arbeit behandelt Entwurf und Implementierung eines integrierten Multi-Sensor-Analog-Frontends (AFE) mit extrem geringer Leistungsaufnahme von weniger als 10 μW (engl. near zero power), dessen Echtzeit-Konfigurierbarkeit von relevanten Parametern und dessen Flexibilität in Anwendung und Technologie ein Niveau erreicht, das sich über dem Stand der Technik befindet. Es soll in IoT-Anwendungen eingesetzt werden, in denen die energieeffiziente Verarbeitung von verschiedenen Umwelt-Sensor-Signalen mit mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Genauigkeit gefordert ist. Mit seiner innovativen Architektur unterstützt es einen großen Bereich von Eingangsspannungen, Eingangs-Frequenzen und Sensor-Typen in unterschiedlichen Operations-Modi, wobei seine Energieeffizienz nicht beeinträchtigt wird. Exemplare des entworfenen AFEs werden durch den Einsatz in autonomen Sensorknoten für die smarte Stadt und die smarte Fabrik, wo sie Umweltparameter wie Wetter (Licht, Temperatur) und Gaskonzentrationen sammeln und verarbeiten, in die Anwendung überführt. Die langlebigen Sensorknoten, die ihre Energie von alternativen Quellen beziehen und via drahtloser Funkverbindung kommunizieren, demonstrieren eine praktische Realisierung eines autonomen Zero-Power-IoT Netzwerkes. Zusätzlich untersucht diese Arbeit die Technologie-Flexbilität des AFEs, indem ein Kernbaustein, der Analog-Digital-Wandler, in verschiedene CMOS-Technologien migriert wird. Anhand eines Vergleichs werden Schlüsse für den optimalen Technologieknoten des gesamten AFEs gezogen.

Für die Herstellung von immer kleiner werdenden elektronischen Bauteilen ist es notwendig, Schichten verschiedener Stoffe auf einem Substrat abzuscheiden. Dazu werden häufig Verfahren verwendet, bei denen Gase in kleine Strukturen eindringen und dort an der Oberfläche reagieren. Damit können Schichten abgeschieden werden. Bei der Gasströmung in mikroskopischen Strukturen auf einem Wafer zeigt sich ein anderes Strömungsverhalten als bei einer Gasströmung in einer makroskopischen Struktur bei Normaldruck. Dabei sind Kollisionen zwischen Gasteilchen oft vernachlässigbar, und die Kollisionen von Teilchen mit der Geometrie, in der sich das Gas befindet, überwiegen. Zur Untersuchung solcher Vorgänge ist es von Interesse, eine derartige Gasströmung und die entsprechenden Schichtabscheidungen simulieren zu können. In dieser Arbeit wurde ein Simulationsverfahren entwickelt, welches Gase im Bereich der freien Molekülströmung und deren chemische und physikalische Interaktionen an Oberflächen simulieren kann. Die Simulationen sind dabei speziell für die freie Molekülströmung optimiert und ist nicht auf viele Aspekte angewiesen, die in anderen Strömungsregimen notwendig sind. Dies geschieht mittels einer Monte-Carlo-Simulation von Teilchen, welche mittels Pfadverfolgung in einer beliebigen dreidimensionalen Geometrie simuliert werden können. Dabei kann eine große Menge an verschiedenen Wechselwirkungen von Teilchen mit den Wänden der Geometrie simuliert werden. Es erfolgten Vergleiche mit bekannten Literaturwerten, wie der Durchlasswahrscheinlichkeit eines Zylinders oder einem einzelnen ALD Schritt in einem zylinderförmigen Loch bei verschiedenen Adsorptionswahrscheinlichkeiten. Das verwendete Simulationsverfahren erlaubt eine einfache Erweiterung von Wechselwirkungen, welche an Oberflächen auftreten können. So wurde auch ein PVD Verfahren und der Einfluss eines Kollimators auf die Teilchenströmung untersucht.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Motivation und Einführung 2 Grundlagen 2.1 Knudsenzahl 2.1.1 Strömungsregime 2.1.2 Mittlere freie Weglänge bei verschiedenen Teilchenarten 2.2 Schichtabscheidungen 2.2.1 Chemische Gasphasenabscheidung 2.2.2 Atomlagenabscheidung 2.2.3 Physikalische Gasphasenabscheidung 2.3 Chemische Reaktionen an Oberflächen 2.3.1 Adsorption an einer freien Oberfläche 2.4 Simulationsansätze 2.4.1 Direct Simulation Monte Carlo 2.4.2 Angular Coefficient Method 2.4.3 Pfadverfolgung von Teilchen 2.4.4 Finite Volumen Methoden 3 Modellentwicklung 3.1 Grundidee 3.2 Interaktionen an Wänden 3.2.1 Reflexion und Reemission von Teilchen 3.2.2 Chemische Reaktionen 3.2.3 Tabellierte Oberflächeninteraktionen 3.3 Erweiterung für Bereiche geringerer Knudsenzahlen 3.4 Implementation 3.4.1 Wandkollisionen 3.4.2 Raytracing und Unterteilung der Geometrie 3.4.3 Simulationsdefinition 3.4.4 Simulationen in 2D 4 Simulationen und Ergebnisse 4.1 Durchlasswahrscheinlichkeit eines Hohlzylinders 4.2 Durchlasswahrscheinlichkeit durch ein gekrümmtes Rohr in 2D 4.3 ALD in einem zylinderförmigen Loch 4.4 Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorption an einer Oberfläche 4.5 Sputterabscheidung von Kupfer in einem PVD-Reaktor 4.5.1 Simulationen in einem Vakuum 4.5.2 Simulation bei Verwendung eines Hintergrundgases 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

We report the experimental observation of hysteresis-free negative capacitance (NC) in thin ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) films through high-speed pulsed charge-voltage measurements. Hysteretic switching is suppressed by the addition of thin Al₂O₃ layers on top of the HZO to prevent the screening of the polarization. We observe an S-shaped polarization-electric field dependence without hysteresis in agreement with Landau theory, which enables direct extraction of NC modeling parameters for ferroelectric HZO. Hysteresis-free NC is demonstrated down to 100 ns pulse widths limited only by our measurement setup. These results give critical insights into the physics of ferroelectric NC and practical NC device design using ferroelectric HZO.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

Zweiphasenströmungen sind Strömungen von heterogenen Stoffgemischen, die aus zwei verschiedenen und voneinander getrennten homogenen Materialien, den Phasen, bestehen und bei einer Vielzahl technischer Anwendungen auftreten, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie und der Energietechnik. Dort beeinflussen Zweiphasenströmungen maßgeblich die Prozesseffizienz und -sicherheit. Radiometrische Messverfahren bieten aufgrund ihrer Nicht-invasivität und dem hohen Durchdringungsvermögen die Möglichkeit, diese Strömungen zu visualisieren sowie deren Parameter zur Charakterisierung zu bestimmen. Die quantitativ hoch-genaue Parameterbestimmung kann dabei durch einige Aspekte erschwert werden, die bisher nicht durch Standardalgorithmen berücksichtigt werden können. Bei der Bestimmung von zeitgemittelten Phasenanteilen durch densitometrische und tomo-graphische Messungen kann bei geringen Zählraten die dynamische Verzerrung auftreten, die systematisch zu einer Verfälschung der zu bestimmenden Phasenanteile führt. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren des korrekten Mittelns kann die dynamische Verzerrung voll-ständig korrigiert werden. Bei der Anwendung des Verfahrens des korrekten Mittelns müssen schlecht konditionierte lineare Gleichungssysteme gelöst werden. Durch geeignete Regularisierungsverfahren lassen sich die Abweichungen vom Mittelwert bei ausreichender Zählratenstatistik beliebig stark verringern. Der Ansatz des Verfahrens des korrekten Mittelns kann bei densitometrischen Messungen von Gas-Flüssigkeits-Strömungen genutzt werden, um auf Basis der Gasgehalts-Wahrscheinlichkeitsdichte das Strömungsregime bei geringen Zähl-raten zu ermitteln. Die Röntgencomputertomographie ermöglicht die Bestimmung von räumlich und zeitlich aufgelösten Phasenverteilungen. Durch Strahlaufhärtung, Streustrahlung und geometrische Verzerrungen können die rekonstruierten Bilder Artefakte enthalten, die die Phasenanteile signifikant verfälschen. Streustrahlung und Strahlaufhärtung können beim ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographen ROFEX durch geeignete Normierungen mit Referenzmessdaten erheblich verringert werden. Weitere Reduktionen der Streustrahlungs-artefakte lassen sich durch Kollimation und einer strahlwegbasierten Vorwärtssimulation der Streustrahlung in der Bildebene erreichen. Durch äußere Einflüsse kann es beim ROFEX zu unerwünschten Ablenkungen des freien Elektronenstrahls kommen, was zu Verzerrungen in den Bildern führt. Die Korrektur kann mithilfe eines iterativen Algorithmus erfolgen, der auf Basis der Schärfe der Bilddaten den Pfad des Elektronenstrahls schätzt und somit die exakte Strahlweggeometrie für die Bildrekonstruktion ermittelt. / Two-phase flows are flows of heterogeneous material mixtures consisting of two different and separated homogeneous materials, the phases, which occur in many technical applications, such as in the chemical industry and energy technology. There, two-phase flows have a significant influence on process efficiency and safety. Due to their non-invasiveness and high penetration capability, radiometric measurement methods offer the possibility of visualizing these flows and determining their parameters for characterization. The quantitative high-precision determination of parameters is hampered by some aspects that are not taken into account by standard algorithms. When determining time-averaged phase fractions by densitometric and tomographic measurements, the dynamic bias error can occur at low count rates, which systematically leads to a falsification of the phase fractions to be determined. With the correct averaging method developed in this thesis, the dynamic bias error can be completely corrected. When applying the correct averaging method, ill-conditioned linear equation systems have to be solved. By suitable regularization methods, the deviations from the exact mean value can be reduced arbitrarily strongly with sufficient count rate statistics. The approach of the correct averaging method can be used for densitometric measurements of gas-liquid flows to determine the flow regime at low count rates on the basis of the gas fraction probability density. X-ray computed tomography enables the determination of spatially and temporally resolved phase distributions. The reconstructed images can contain artifacts due to beam hardening, scattered radiation and geometric distortions, which significantly falsify the phase fractions. In the ROFEX ultrafast electron beam X-ray computer tomography system, scattered radiation and beam hardening can be significantly reduced by suitable normalization with reference measurement data. Further reductions of scatter artifacts can be achieved by collimation and ray-tracking based forward simulation of scattered radiation in the image plane. Due to external influences around the ROFEX, undesired deflections of the free electron beam can occur, which leads to distortions in the images. The correction can be performed using an iterative algorithm that estimates the path of the electron beam based on the sharpness of the image data and thus determines the exact beam path geometry for the image reconstruction.

Insulating sheets, impregnants and encapsulation materials commonly used for winding insulation offer low thermal conductivities. This leads to an increased heating of the winding of electrical machines and to the existence of hotspots. The electromagnetical utilization of the machine has to be reduced with respect to the allowed maximum winding temperature. In this paper, the development and experimental investigation of novel polysiloxane composites with ceramic fillers are presented. The materials are tested by means of impregnated and encapsulated samples of a round-wire winding as well as the main insulation of electrical steel sheets and laminated cores. Numerical models are implemented for determining the equivalent thermal conductivity of the winding compound comprising the enameled wire and the impregnant. Based on the example of a permanent-magnet synchronous machine with outer-rotor in modular construction, the potential for increasing the electromagnetical utilization is shown.