The demand of smaller and portable electronic devices has contributed to the realisation of compact embedded systems using PCB miniaturization techniques. The commercial market is faced with competition of handheld users’ devices in medical, communication and automotive industries which are smaller and lighter electronic devices. The possibilities of higher degree of integration in planar technology using cost effective electronic components has lead to different art of design and fabrication of compact units. In this work, a central station and a base station front-end with small form factor have been realized using commercial components on PCBs. These electronic compacts units were integrated in the IF-over-Fiber system architecture. The IF-over-Fiber architecture comprised of miniaturized electronic components for quadrature modulation and upconversion. The central station supports multi-Gbps data rate modulation formats in order to increase the spectral efficiency of the transmitted information. Multilevel modulation formats are considered spectrally efficient and can double the transmission capacity by transmitting more information in the amplitude, phase, polarization or a combination of all. The BS front-end comprises of the 60 GHz upconverter and a 60 GHz planar 2×2 microstrip antenna. The 10 GHz IF carrier allows an optical transmission with higher spectral efficiency in optical domain, as well as it is less susceptible to dispersion induced power fading inherent in optical fiber. Characterization of the designed central station and base station front-end through measurements are presented and discussed. The IF-over-Fiber system analysis is made for the 2 Gbps QPSK transmission with respect to error vector magnitude (EVM), eye and constellation diagrams.

Die Auslegung von Erdungsanlagen nach der DIN EN 50522 basiert im Wesentlichen auf der Bewertung der bei Erdfehler auftretenden Erdungs- bzw. Berührungsspannungen. Deren Berechnung setzt die Kenntnis der Fehlerstromaufteilung (bzw. der wirksamen Reduktionsfaktoren) voraus, da nur der Stromanteil, der als Erdungsstrom über der Erdungsimpedanz wirksam wird, tendenziell gefährliche Potentialanhebungen verursacht. Maßgebend für die Verteilung der Ströme im Erdungssystem sind die induktiven Kopplungen zwischen dem fehlerstromführenden Leiter und den zum Sternpunkt zurückführenden Strompfaden. Daraus geht hervor, dass sowohl die räumliche Anordnung der Leiter als auch die Frequenz der Fehlerstromanteile die vorherrschenden Verhältnisse entscheidend beeinflussen. Beide Einflüsse werden in den Standards und der Fachliteratur bis dato nur bedingt betrachtet. Diese Arbeit befasst sich daher mit der rechnerischen Bestimmung und Bewertung der Potentialanhebungen, welche sich im Falle eines Erdfehlers in Abhängigkeit von den Frequenzanteilen des Fehlerstroms in unterschiedlich aufgebauten Erdungssystemen ergeben. Wesentlicher Bestandteil der Ausführungen ist die Entwicklung eines Modells zur Berechnung der frequenzabhängigen Stromverteilung und den daraus resultierenden Erdungsspannungen in verbundenen Erdungsanlagen. Dieses bildet, in Erweiterung zu bestehenden Ansätzen, insbesondere den Einfluss der dreidimensionalen Anordnung der Leiter auf deren magnetische Kopplungen ab. Durch theoretische Betrachtungen und begleitende Messungen werden die Grenzen derartiger rechnerischer Bewertungsverfahren aufgezeigt. Anhand einfacher Modellanordnungen wird beispielhaft der Einfluss der räumlichen Struktur des Erdungssystems auf die frequenzabhängige Fehlerstromverteilung, die wirksamen Erdungsimpedanzen und die resultierenden Erdungsspannungen analysiert. Dabei werden explizit Erdfehler an zusammengeschlossenen Hoch- und Niederspannungs-Erdungsanlagen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass rein zweidimensionale Berechnungsverfahren den theoretischen Worst-Case hinsichtlich der Erdungsspannung nicht abdecken. Für die praktische Anwendung des Modells werden sowohl Vereinfachungen als auch zusätzliche Sicherheitsaufschläge abgeleitet. Weiterhin erfolgt die modellbasierte Untersuchung einpoliger Fehler in voll- und teilverkabelten Netzen. Im Fokus steht dabei die potentialanhebende Wirkung der Frequenzanteile des einpoligen Fehlerstroms. Es wird aufgezeigt, dass infolge der induktiven Kopplungen ein hoher Anteil des Rückstroms in den beidseitig geerdeten Schirmen der fehlerstromführenden Kabel fließt. Bedingt durch die Frequenzcharakteristik des Reduktionsfaktors wirken die höherfrequenten Anteile des Erdfehlerstroms in vollverkabelten Netzgebieten in deutlich geringerem Maße potentialanhebend als der Grundschwingungsanteil. Daher lassen sich insbesondere für die Erdungssysteme von Kabelnetzen mit Resonanz-Sternpunkterdung vereinfachte Bewertungsmethoden ableiten. In Summe liefert diese Arbeit einen Beitrag dazu, wie der rechnerische Nachweis zulässiger Berührungsspannungen geführt und das Prozedere zur Auslegung von Erdungsanlagen vereinfacht werden kann. / The design of earthing installations in European high voltage grids has to comply with the standard EN 50522. The determining quantities for the risk assessment are the touch and step voltages occurring during an earth fault. Since the direct estimation of these voltages is complicated, earthing installations are usually assessed by means of the earth potential rise. For the calculation of the earth potential rise the knowledge of the fault current distribution (or the effective reduction factors) is required, since only the proportional current to earth raises the potential of the earthing installations. The inductive coupling between the conductor carrying the fault current and the current paths leading back to the neutral point is decisive for the distribution of the currents in the earthing system. This indicates that both the spatial arrangement of the conductors and the frequency of the fault current components have a determining influence on the prevalent conditions. To date, both influences have only been considered to a minor extent in the standards and technical literature. This thesis relates to the calculation and evaluation of the earth potential rises in differently structured earthing systems. Thereby, the varying potential raising effect of the harmonics in the earth fault current is examined. For this purpose, a model for the calculation of the frequency-dependent current distribution in interconnected earthing installations is developed. In extension to existing approaches, this model particularly represents the influence of the three-dimensional arrangement of the conductors on their magnetic coupling. Through theoretical considerations and accompanying measurements, the limits of such calculational evaluation methods are demonstrated. Based on simple model arrangements, the influence of the spatial structure of the earthing system on the frequency-dependent fault current distribution (reduction factors), the effective impedances to earth and the resulting earth potential rise is analysed exemplarily. Thereby, earth faults at interconnected high-voltage and low-voltage earthing installations are investigated explicitly. The results show that two-dimensional calculation methods do not cover the theoretical worst case regarding the earth potential rise. For the practical application of the model, simplifications as well as additional safety surcharges are derived. Furthermore, model-based investigations of single-pole faults in fully and partially cabled grids are carried out. The focus is on the potential-raising effect of the harmonic components of the single-pole fault current. It is shown that, due to inductive coupling, a high percentage of the return current flows via the shields of the cables carrying the fault current. Due to the frequency characteristic of the reduction factor, in fully cabled grid areas higher-frequency components of the earth fault current have a significantly lower potential-raising effect than the fundamental component. Particularly for the earthing systems of cable grids with resonant earthing, simplified assessment methods can thus be derived. In summary, this thesis provides a contribution on how to proof permissible touch voltages by calculation and how to simplify the procedure for the assessment of earthing installations in perspective.

The behaviour of particles in pulsating and oscillating flows is of practical interest in devices such as pulsation reactors and ultrasonic elevators. In addition to the resulting flow patterns, the influence of the flow on heat and mass transfer is often important. The state of the art in this area is already quite well developed with many different models, theories, and experiments published. However, only small parameter ranges of the behaviour of particles in pulsating and oscillating flows are considered, while an overarching theoretical framework does not yet exist. Therefore, this work presents a three-stage model for the behaviour of solid single particles in oscillating (pulsating) flows. The relative velocity between particle and fluid as well as the flow patterns around the particle, together with the heat and mass transfer at the particle are considered. The model levels build on top of each other, with the introduced ϵ-Re plain as a common connection between the levels. The number of input parameters could be limited to the five most important ones (fluid velocity amplitude, fluid oscillation frequency, fluid temperature, particle diameter, particle density), but these are considered in very large ranges. The relative velocity is largely calculated analytically using various flow resistance approaches. Direct numerical simulations were carried out to qualitatively estimate the flow patterns around the particle. The quantitative determination of a meta correlation for the entire ϵ-Re plane was carried out using 33 data sets from the literature. Conditions in pulsation reactors are particularly emphasized and their influence investigated.:Chapter 1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Chapter 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Chapter 3. State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.1. Material Treatment in the Pulsation Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2. Particle Motion in an Oscillating Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3. Steady Streaming (Flow Pattern). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.4. Heat and Mass Transfer in Oscillating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.5. Heat and Mass Transfer in Pulsating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.6. Non-continuum Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Chapter 4. Basic Assumptions and Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.1. Input Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.2. Pulsating Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3. Forces on the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.4. Motion of Particles - Stokes Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.5. Harmonic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.6. Dimensionless Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.7. The ϵ-Re Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Chapter 5. Motion of the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.1. Drag Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2. Slip Velocity Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3. Particle Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4. Navigation in the ϵ-Re Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.5. Extension of the Stokes Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.6. Additional Effects at Micro Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.7. Analytical Particle Motion - Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Chapter 6. Flow Patterns in the Vicinity of the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1. Creeping Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2. Quasi-steady Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3. Steady Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Chapter 7. Heat and Mass Transfer to Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.1. Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.2. The Quasi-Steady HMT Area of the Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7.3. Models for Oscillating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.4. Meta Correlation Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.5. Deviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.6. Quasi-Steady Assumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.7. Heat and Mass Transfer to Small Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.8. Conclusion of Heat and Mass Transfer to Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Chapter 8. Summary & Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1. Model Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.2. Inŕuence of input parameters on the HMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.3. The ϵ-Re Plane in the Special Case of the Pulsation Reactor . . . . . . . . . . . . . . 91 8.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Chapter 9. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Appendix A. Derivation and Solution of Particle Motion in the Stokes Model . . . . . i Appendix B. Derivation and Solution of Particle Motion in the Landau & Lifshitz Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Appendix C. Derivation of Deviation between Stokes and Schiller & Naumann . . . . x Appendix D. Parameters and Algorithm of the Direct Numerical Simulation and Flow Pattern Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Appendix E. Conducted Data Preparation for HMT Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv / Das Verhalten von Partikeln in pulsierenden und oszillierenden Strömungen findet praktisches Interesse in Apparaten wie Pulsationsreaktoren und Ultraschalllevitatoren. Dabei ist neben den entstehenden Strömungsmustern oft der Einfluss der Strömung auf den Wärme- und Stoffübergang von Bedeutung. Der Stand der Technik in der Literatur in diesem Bereich ist bereits recht weit entwickelt mit vielen verschiedenen Modellen, Theorien und Experimenten. Dabei werden jedoch stets nur kleine Parameterbereiche des Verhaltens von Partikeln in pulsierenden und oszillierenden Strömungen betrachtet, während ein übergreifender theoretischer Rahmen noch nicht existiert. Deshalb wird in dieser Arbeit ein dreistufiges Modell vorgestellt für das Verhalten von festen Einzelpartikeln in oszillierenden (pulsierenden) Fluidströmungen. Sowohl die Relativgeschwindigkeit zwischen Partikel und Fluid als auch die Strömungsmuster um das Partikel und der Wärme- und Stoffübergang am Partikel werden hierbei betrachtet. Die Modellebenen bauen aufeinander auf, wobei die eingeführte ϵ-Re-Ebene die Modellebenen miteinander verbinden. Die Anzahl der Eingangsparameter konnte auf die wichtigsten fünf (Fluidgeschwindigkeitsamplitude, Fluidoszillationsfrequenz, Fluidtemperatur, Partikeldurchmesser, Partikeldichte) begrenzt werden, diese werden jedoch in sehr großen Bereichen betrachtet. Die Relativgeschwindigkeit wird mittels verschiedener Strömungswiderstandsansätze größtenteils analytisch berechnet. Zur qualitativen Abschätzung der Strömungsmuster um das Partikel wurden direkte numerische Simulationen durchgeführt. Die quantitative Bestimmung einer Metakorrelation für die gesamte ϵ-Re-Ebene wurde mittels 33 Datensätze aus der Literatur durchgeführt. Dabei werden Bedingungen in Pulsationsreaktoren besonders herausgestellt und deren Einfluss untersucht.:Chapter 1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Chapter 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Chapter 3. State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.1. Material Treatment in the Pulsation Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2. Particle Motion in an Oscillating Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3. Steady Streaming (Flow Pattern). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.4. Heat and Mass Transfer in Oscillating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.5. Heat and Mass Transfer in Pulsating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.6. Non-continuum Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Chapter 4. Basic Assumptions and Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.1. Input Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.2. Pulsating Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3. Forces on the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.4. Motion of Particles - Stokes Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.5. Harmonic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.6. Dimensionless Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.7. The ϵ-Re Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Chapter 5. Motion of the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.1. Drag Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2. Slip Velocity Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3. Particle Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4. Navigation in the ϵ-Re Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.5. Extension of the Stokes Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.6. Additional Effects at Micro Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.7. Analytical Particle Motion - Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Chapter 6. Flow Patterns in the Vicinity of the Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1. Creeping Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2. Quasi-steady Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3. Steady Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Chapter 7. Heat and Mass Transfer to Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.1. Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.2. The Quasi-Steady HMT Area of the Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7.3. Models for Oscillating Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.4. Meta Correlation Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.5. Deviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.6. Quasi-Steady Assumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.7. Heat and Mass Transfer to Small Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.8. Conclusion of Heat and Mass Transfer to Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Chapter 8. Summary & Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1. Model Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.2. Inŕuence of input parameters on the HMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.3. The ϵ-Re Plane in the Special Case of the Pulsation Reactor . . . . . . . . . . . . . . 91 8.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Chapter 9. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Appendix A. Derivation and Solution of Particle Motion in the Stokes Model . . . . . i Appendix B. Derivation and Solution of Particle Motion in the Landau & Lifshitz Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Appendix C. Derivation of Deviation between Stokes and Schiller & Naumann . . . . x Appendix D. Parameters and Algorithm of the Direct Numerical Simulation and Flow Pattern Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Appendix E. Conducted Data Preparation for HMT Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv

This work explores the application of various power amplifier design techniques for mobile communications. Several circuit configurations including class A amplifier, Doherty amplifier and power combining amplifier have been developed, which are to improve the performance of power amplifiers in terms of power added efficiency transmission power and bandwidth. In chapter 2, the cascode PA adopting tuning capacitor structure is proposed and implemented to enhance the efficiency. In chapter 3, a novel Doherty amplifier configuration using a 3-stage polyphase filter as power splitter is introduced. Moreover, the second harmonic cancellation function of balun combining PA is analysed and verified with experimental results in chapter 4. The fully integrated cascode class A amplifier adopts RC negative feedback, which is to enhance bandwidth and input/output matching. The integrated choke inductor compensating the parasitic capacitor of transistors has very low quality factor, which decreases the efficiency of the power amplifier. To reduce the inductance value of the choke inductor, a tuning capacitor is connected in parallel with the choke inductor. As a result, the inductor resistance is reduced as well, which diminishes the power consumption induced by the resistance of the choke inductor. This proposed PA configuration is validated by simulation results with the PAE improved by 3 % at the 1 dB compression point compared to the topology without tuning capacitor. The experimental results demonstrate a PA which delivers an output power of 21.3 dBm with PAE of 21 % at the 1 dB compression point. The Doherty amplifier with 2-way Wilkinson power splitter is integrated in a 0.9 mm×1.8 mm chip. The main and peak amplifier adopt cascode configuration to improve the stability of the Doherty amplifier. To minimize the chip size, the quarter wave transmission line in the topology is replaced by π-type lumped element equivalent network. To increase the operating bandwidth, the Doherty amplifier configuration using a 3-stage polyphase filter as power splitter is proposed. The topology consists of 3-stage RC polyphase filter, drive amplifiers, main amplifier, peak amplifier, and impedance inverter. By employing the polyphase filter, the quarter-wave transmission line at the input of the peak amplifier for compensating the phase shift of the impedance inverter is eliminated. According to the analysis of the polyphase filter prototype, the 3-stage polyphase filter is selected, and the component parameters are determined. The main amplifier and peak amplifier are using differential cascode configuration. The drive amplifier is to increase the power gain and provide proper impedance matching for the Doherty amplifier. The results demonstrate an outstanding broadband Doherty amplifier with a bandwidth of 1.8 GHz. The chip temperature rises dramatically due to the high power consumption of power amplifier. Consequently, the collector currents of the SiGe transistors are varying with the changing temperature, which deteriorates the PA performance. In the improved 3-stage PPF Doherty design, the bias voltages of the transistors in the first version 3-stage PPF Doherty amplifier are replaced by reference currents feeding through bias circuits. With current sources providing bias current to the transistors, the performance of the improved Doherty amplifier is enhanced. The power combining PAs are constructed on FR-4 PCB boards using discrete components. The single ended power amplifier in the power combining PA is built with high linearity HEMT transistor. The balun combining PA has an advantage of second harmonic cancellation, which is validated by both analysis and measurements. Moreover, power combining PAs with 2-way transmission line and lumped element Wilkinson power divider are designed. The transmission lines in these designs are analyzed using EM simulation tool and verified with testing structures on PCB boards.

Local thermal management has important implications regarding comfort, energy consumption, and electronic device performance/lifetime. While organic thermoelectrics have emerged as promising materials for flexible thermoelectric energy harvesting devices, their potential as Peltier cooling element has been largely overlooked. Here, micro-thermoelectric coolers based on doped small molecule thin-films with a fast response time (around 25 µs) which is among the fastest micro-thermoelectric coolers reported are presented. This experimental cooling performance is supported by simulation using the finite-element method for thermal transport. The results show that organic thermoelectrics offer great potential for flexible and wearable micro-thermoelectric cooling applications.

This thesis focuses on analyzing the synchronization of time delays between mutually coupled phase-locked loops (PLLs) in a flat hierarchy. Mutual synchronization refers to decentralized synchronization where there is no primary or secondary unit or control source. Consequently, it is an inherently self-organizing system in which each unit has equal rights, making it a democratic system. In this research, a dynamic nonlinear time-domain model is used to describe mutually delayed coupled oscillators. The predictions of this model are evaluated against experimental measurements. The time-domain model is based on the Kuramoto model. The Kuramoto model describes a network of coupled oscillators. As a first impression, this Kuramoto model is first analyzed for understanding of the effects of time delays between oscillators. The time domain model is based on a conventional PLL architecture modified to allow mutual coupling. The modifications include a circuit section that sums and weights all incoming phase differences. Overall, the measured results of this research study are in good agreement with the theoretical predictions of the time-domain model. The analysis allows the identification of the transient dynamics and the mechanisms that lead to mutual coupling and the formation of synchronized states through self-organized synchronization. The results show that the mutual coupling can self-organize its dynamics to synchronize even at time delays where the phenomenon of multistability of synchronized states occurs. A critical time delay beyond which a stable synchronized state cannot be achieved has been identified. The work also analyzes the dynamics and noise of synchronized states and finds that the dynamics near a synchronized state are correlated due to mutual coupling, leading to a reduction in noise. The noise correlation is affected by the direction of coupling, the number of nodes in the network, and the network topology. An improvement in phase noise of up to 14.42 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier and 49.47ns delay was achieved using all-to-all coupling with four nodes. Furthermore, the hybrid approach, the combination of hierarchical and self-organizing synchronization architectures, is investigated. The dissertation presents an experimental study to understand how this affects a network of mutually delayed delay-coupled oscillators and whether the network of mutually coupled nodes can be abstracted as a secondary oscillator. A range in which the mutually delay-coupled network can be successfully synchronized by an external reference oscillator, depending on the synchronized state, is identified. In summary, this thesis provides valuable insights into the properties of mutually delay-coupled PLLs and their synchronization in flat hierarchies, and contributes to the understanding, design, and optimization of more practical networks of mutually delayed PLLs.:Abstract/Zusammenfassung Symbols and Abbreviations Previous Publications 1 Introduction 1.1 Classifications of Synchronization 1.2 A Historical Perspective on Mutual Synchronization 1.3 Extending the Understanding of Mutual Synchronization 1.4 Definitions and Methodologies 2 Model of Networks of Mutually Coupled PLLs 2.1 Coupled Oscillators – Kuramoto Model 2.1.1 Consequences of a Time Delay between Oscillators 2.1.2 Arbitrary Time Delays between Oscillators 2.2 Time-Domain Model of Delay-Coupled PLLs 2.2.1 Phase Detection 2.2.2 Loop-Filter 2.2.3 Voltage Controlled Oscillator 2.3 Prediction and Stability Analysis of Synchronized States 2.3.1 Assessing the Linear Stability of Synchronized States 2.3.2 Stability Consideration for Two Identical PLL Nodes 2.3.3 The Notion of Mode Locking 2.3.4 Effects of Heterogeneity on Synchronized States 2.4 Dynamics and Noise in Synchronized States 2.4.1 Gain and Phase Margin of a PLL Node 2.4.2 Phase Noise 2.5 Key Findings of the Theoretical Model 3 Design of Phase-Locked-Loops for Mutual Synchronization 3.1 PLL Nodes Dedicated for Mutual Synchronization 3.1.1 Phase Detection Circuitry 3.1.2 Adder Chain 3.2 Additional Circuitry for Implementing a Time Delay 4 Experimental Analysis of Mutually Time-Delayed Coupled PLLs 4.1 Synchronized States Including Oscillator Nonlinearity 4.2 Stability of Multistable Synchronized States 4.3 Critical Time Delay Between Two Coupled Nodes 4.4 Combining Hierarchical and Flat Synchronization Concepts 4.4.1 Entrainment of a Chain Network Topology 4.4.2 Entrainment of a Ring Network Topology 4.5 Heterogeneous Time Delays between Coupled PLLs 4.6 Phase Noise Analysis of Time Delay Coupled PLLs 4.6.1 Phase Noise for Two Mutually Coupled Nodes 4.6.2 The Impact of Coupling Directionality 4.6.3 Long Term Frequency Stability 4.6.4 Effect of Time Delay on Phase Noise 4.6.5 Network Topology Dependency on Phase Noise 5 Conclusion and Future Prospects Bibliography Own Publications – Periodicals Own Publications – Conference Proceedings Co-Authored Publications Other References List of Figures List of Tables Acknowledgement Curriculum Vitae / Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der Auswirkungen von Zeitverzögerungen auf die Synchronisation von gegenseitig gekoppelten Phasenregelschleifen (engl. phase-locked loop (PLL)) in einer flachen Hierarchie. Gegenseitige Synchronisation bezieht sich auf eine dezentrale Synchronisation, bei der es keine primäre oder sekundäre Einheit oder Steuerquelle gibt. Folglich ist es ein inhärent selbstorganisierendes System, in dem jede Einheit gleichberechtigt ist, was es zu einem demokratischen System macht. Für die Untersuchung wird ein dynamisches nichtlineares Zeitbereichsmodell verwendet, um gegenseitig verzögert gekoppelte Oszillatoren zu modellieren und die Vorhersagen dieses Modells anhand experimenteller Messungen zu bewerten. Dieses Zeitbereichsmodell basiert auf dem sogenannten Kuramoto-Modell, das ein Netzwerk gekoppelter Oszillatoren beschreibt. Um einen ersten Eindruck zu erhalten, wird zunächst dieses Kuramoto-Modell analysiert, um die Auswirkungen von Zeitverzögerungen zwischen den Oszillatoren zu verstehen. Das Zeitbereichsmodell basiert auf einer konventionellen PLL-Architektur, die modifiziert wurde, um eine gegenseitige Kopplung zu ermöglichen. Die Modifikationen beinhalten einen Schaltungsteil, der alle eingehenden Phasendifferenzen summiert und gewichtet. Die gemessenen Ergebnisse dieser Untersuchung stimmen insgesamt gut mit den theoretischen Vorhersagen des Zeitbereichsmodells überein. Die Analyse erlaubt es, die transiente Dynamik und die Mechanismen zu identifizieren, die zur gegenseitigen Synchronisation und zur Bildung synchronisierter Zustände durch selbstorganisierte Synchronisation führen. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei Zeitverzögerungen, bei denen das Phänomen der Multistabilität synchronisierter Zustände auftritt, die gegenseitige Kopplung ihre Dynamik selbst organisieren kann, um sich zu synchronisieren. Die Untersuchung identifizierte eine kritische Zeitverzögerung, bei der kein stabiler synchronisierter Zustand erreicht werden kann. Die Arbeit analysiert auch die Dynamik und das Rauschen von synchronisierten Zuständen und stellt fest, dass die Dynamik in der Nähe eines synchronisierten Zustands aufgrund der gegenseitigen Kopplung korreliert ist, was zu einer Reduktion des Rauschens führt. Die Richtung der Kopplung und die Anzahl der Knoten im Netzwerk sowie die Netzwerktopologie beeinflussen die Korrelation des Rauschens. Eine Verbesserung des Phasenrauschens von bis zu 14.42 dBc/Hz bei einem Versatz von 100 kHz zum Träger und einer Verzögerung von 49.47 ns wurde durch eine globalen oder All-to-All-Kopplung mit vier Knoten erreicht. Des Weiteren wird der hybride Ansatz, die Kombination von hierarchischen und selbstorganisierenden Synchronisationsarchitekturen, untersucht. Die Arbeit präsentiert eine experimentelle Studie, um zu verstehen, wie dies ein Netzwerk von gegenseitig verzögert gekoppelten Oszillatoren beeinflusst und ob das Netzwerk von gegenseitig gekoppelten Knoten als sekundärer Oszillator abstrahiert werden kann. Dabei wird eine vom synchronisierten Zustand abhängige Domäne identifiziert, in der das wechselseitig gekoppelte Netzwerk durch einen externen Referenzoszillator erfolgreich synchronisiert werden kann. Insgesamt liefert diese wissenschaftliche Arbeit wertvolle Erkenntnisse über die Eigenschaften von gegenseitig verzögerungsgekoppelten PLLs und deren Synchronisation in einer flachen Hierarchie und trägt zum Verständnis, zum Entwurf und zur Optimierung von praktisch realisierten Netzwerken gegenseitig verzögerungsgekoppelter PLLs bei.:Abstract/Zusammenfassung Symbols and Abbreviations Previous Publications 1 Introduction 1.1 Classifications of Synchronization 1.2 A Historical Perspective on Mutual Synchronization 1.3 Extending the Understanding of Mutual Synchronization 1.4 Definitions and Methodologies 2 Model of Networks of Mutually Coupled PLLs 2.1 Coupled Oscillators – Kuramoto Model 2.1.1 Consequences of a Time Delay between Oscillators 2.1.2 Arbitrary Time Delays between Oscillators 2.2 Time-Domain Model of Delay-Coupled PLLs 2.2.1 Phase Detection 2.2.2 Loop-Filter 2.2.3 Voltage Controlled Oscillator 2.3 Prediction and Stability Analysis of Synchronized States 2.3.1 Assessing the Linear Stability of Synchronized States 2.3.2 Stability Consideration for Two Identical PLL Nodes 2.3.3 The Notion of Mode Locking 2.3.4 Effects of Heterogeneity on Synchronized States 2.4 Dynamics and Noise in Synchronized States 2.4.1 Gain and Phase Margin of a PLL Node 2.4.2 Phase Noise 2.5 Key Findings of the Theoretical Model 3 Design of Phase-Locked-Loops for Mutual Synchronization 3.1 PLL Nodes Dedicated for Mutual Synchronization 3.1.1 Phase Detection Circuitry 3.1.2 Adder Chain 3.2 Additional Circuitry for Implementing a Time Delay 4 Experimental Analysis of Mutually Time-Delayed Coupled PLLs 4.1 Synchronized States Including Oscillator Nonlinearity 4.2 Stability of Multistable Synchronized States 4.3 Critical Time Delay Between Two Coupled Nodes 4.4 Combining Hierarchical and Flat Synchronization Concepts 4.4.1 Entrainment of a Chain Network Topology 4.4.2 Entrainment of a Ring Network Topology 4.5 Heterogeneous Time Delays between Coupled PLLs 4.6 Phase Noise Analysis of Time Delay Coupled PLLs 4.6.1 Phase Noise for Two Mutually Coupled Nodes 4.6.2 The Impact of Coupling Directionality 4.6.3 Long Term Frequency Stability 4.6.4 Effect of Time Delay on Phase Noise 4.6.5 Network Topology Dependency on Phase Noise 5 Conclusion and Future Prospects Bibliography Own Publications – Periodicals Own Publications – Conference Proceedings Co-Authored Publications Other References List of Figures List of Tables Acknowledgement Curriculum Vitae

The growing demand for high data rates, reliable connections, low latency, and increased user density has driven the operating frequency of modern wireless communication systems towards the millimeter-wave (mmWave) band. Large-scale antenna arrays capable of supporting simultaneous multi-beamforming are crucial for these mmWave systems. Passive beamforming networks, particularly Butler matrices (BM), offer several advantages for mmWave applications due to their low complexity, high energy efficiency, zero DC power consumption, and ability to generate multiple orthogonal beams. However, existing BM designs are often limited to low-order matrices, supporting a restricted number of radiating elements and featuring bulky cubic structures unsuitable for the microwave range. The contributions of this work include extensions in the Butler matrix order to support a massive antenna array, simplification of the Butler matrix topology to reduce the insertion loss, and layout optimization for straightforward antenna array integration. The novel multi-beam antenna systems for the one- and two-dimensional beamforming at mmWave band are designed and experimentally validated. First of all, a theoretical analysis of the Butler matrix topology is conducted to find effective solutions for matrix order extension, simplification, and loss reduction. Then, a multi-beam system consisting of a compact 8×8 one-dimension BM and an antenna array is implemented. To further extend the number of multi-beams, a 28 GHz multi-beam array system based on high-dimension 16 × 16 one-dimension BM and 1 × 16 linear antenna array is proposed. Additionally, a 28 GHz multi-beam array system fed by a planar 16 × 16 twodimensional Butler matrix is examined. Utilizing the proposed concept for the planarization of the cubic-formed two-dimensional Butler matrix, a system implemented with the multi-layer lamination in a dramatically reduced size provides 16 spatial orthogonal beams over a conical space. Furthermore, two new concepts for the planar and uni-planar 32 × 32 two-dimensional Butler matrix are developed not only for more beams but also to reduce the required signal layers.

This work investigates the compact- and TCAD modeling of III-V semiconductor based HBTs for high-power and high-speed applications. It demonstrates an approach for modeling such devices that connects compact- and TCAD modeling of such technologies. Compact model extensions are derived based on TCAD simulation. Compact modeling results for two state-of-the-art technologies are presented.:1. Introduction 2. Physical Models for TCAD Simulation 3. Bulk Calibration of Augmented Drift-Diffusion Solver 4. Device Calibration of aDD Solver 5. Application of the GICCR to III-V HBTs 6. Verification of the HICUM/L2 Model Core 7. Model Application to TSC250 InP/InGaAs HBT 8. Model Application to ETH InP/GaAsSb HBT 9. Conclusion and Outlook

The reliable quantitative detection of biomarkers and pathogens at picomolar or even lower concentration would be a great help in point-of-care testing but is not readily available today. Integrated optical waveguides, which interact with the biochemical species to be monitored, are promising candidates for the detection of such ultra-low concentrations. The focus of this thesis is on optical waveguides in the shape of micro-ring or micro-racetrack resonators that are manufactured by UV-assisted nanoimprint lithography. This replica manufacturing technology is analyzed using analytical and numerical models in order to identify and quantify the main influence factors that determine the limit of detection of such biosensors. Potential biosensor applications are evaluated and general design rules are derived. The resulting measurements confirm the high potential of the chosen approach with respect to excellent sensitivity, low limit of detection and high dynamic range. With suitable optimization of the sensor layout, a further improvement of the performance by one to two orders of magnitude is possible.:Editor’s Preface Variables and constants Abbreviations 1 Introductions 1.1 Medical laboratory diagnostics 1.2 Biosensor technologies for point-of-care testing 1.3 Integrated optical waveguides and microresonators 1.4 Outline of the thesis 2 Basics 2.1 Guided waves in planar optical waveguides 2.1.1 Planar optical waveguides 2.1.2 Propagation of optical waves 2.1.3 Coupled modes in waveguides 2.2 Planar optical microresonators 2.2.1 Basic layouts and parameters 2.2.2 Manufacturing 2.2.3 Biosensing 2.3 Functionalization and biofunctionalization 3 UV-NIL Polymer Microresonator Biosensor Design 3.1 UV-assisted nanoimprint lithography 3.2 Waveguide cross-sections and refractive indices 3.2.1 Analytical waveguide modeling 3.2.2 Mode diagrams 3.2.3 Conclusions 3.3 Waveguide coupling 3.4 Waveguide losses 3.4.1 Absorption loss 3.4.2 Roughness loss 3.4..3 Substrate loss 3.4.4 Radiation loss due to bending 3.5 Sensitivity of the effective index to analyte binding 3.6 Overall sensitivity and detection limit 3.7 Generic design guidelines 3.8 Parameter selection for UV-NIL polymer waveguides 3.9 Comparison of polymer and silicon-based waveguides 3.9.1 Waveguide geometry 3.9.2 Radiation loss due to bending 3.9.3 Material damping 3.9.4 Surface roughness 3.9.5 Coupling channel widths and coupling coefficients 3.9.6 Conclusions 4 Characterization and Proof of Concept 4.1 Manufacturing-based design limits and chosen designs 4.2 Measurement setup and characterization process 4.3 Optical properties of UV-NIL polymer microresonators 4.4 Proof of concept 4.4.1 Sensitivity to bulk solutions 4.4.2 Reproducibility and drift 4.4.3 Comparison with theory 4.4.4 Comparison with literature 4.4.5 Sensitivity improvement 4.5 Asymmetry of the resonance curves 4.5.1 Cavity lifetime 4.5.2 Thermal influence 4.5.3 Summary 4.6 Conclusions 5 Integration into a biosensor platform 5.1 Chemical functionalization by oxygen plasma 5.2 Preparation of a biosensor characterization assay 5.2.1 Binding of fluorescent nanoparticles onto polymer surfaces 5.3 Microfluidic system 5.3.1 Programmable microfluidic system 5.3.2 System evaluation and improvement 5.4 Conclusions 6 Conclusions Declaration of authorship Acknowledgements Publications and awards / Der zuverlässige quantitative Nachweis von Biomarkern und Krankheitserregern in pikomolarer oder noch niedrigerer Konzentration wäre eine große Hilfe bei Tests am Point-of-Care, ist aber heute nicht ohne weiteres verfügbar. Integrierte optische Wellenleiter, die mit den zu überwachenden biochemischen Spezies interagieren, sind vielversprechende Kandidaten für den Nachweis solcher ultraniedriger Konzentrationen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf optischen Wellenleitern in Form von Mikro-Ring- oder Mikro-Spur-Resonatoren, die durch UV-unterstützte Nanoimprint-Lithographie hergestellt werden. Diese Replika-Herstellungstechnologie wird mit Hilfe analytischer und numerischer Modelle analysiert, um die wichtigsten Einflussfaktoren zu identifizieren und zu quantifizieren, die die Nachweisgrenze solcher Biosensoren bestimmen. Potenzielle Biosensoranwendungen werden bewertet und allgemeine Designregeln abgeleitet. Die daraus resultierenden Messungen bestätigen das hohe Potenzial des gewählten Ansatzes in Bezug auf ausgezeichnete Empfindlichkeit, niedrige Nachweisgrenze und hohen Dynamikbereich. Bei geeigneter Optimierung des Sensorlayouts ist eine weitere Verbesserung der Leistung um ein bis zwei Größenordnungen möglich.:Editor’s Preface Variables and constants Abbreviations 1 Introductions 1.1 Medical laboratory diagnostics 1.2 Biosensor technologies for point-of-care testing 1.3 Integrated optical waveguides and microresonators 1.4 Outline of the thesis 2 Basics 2.1 Guided waves in planar optical waveguides 2.1.1 Planar optical waveguides 2.1.2 Propagation of optical waves 2.1.3 Coupled modes in waveguides 2.2 Planar optical microresonators 2.2.1 Basic layouts and parameters 2.2.2 Manufacturing 2.2.3 Biosensing 2.3 Functionalization and biofunctionalization 3 UV-NIL Polymer Microresonator Biosensor Design 3.1 UV-assisted nanoimprint lithography 3.2 Waveguide cross-sections and refractive indices 3.2.1 Analytical waveguide modeling 3.2.2 Mode diagrams 3.2.3 Conclusions 3.3 Waveguide coupling 3.4 Waveguide losses 3.4.1 Absorption loss 3.4.2 Roughness loss 3.4..3 Substrate loss 3.4.4 Radiation loss due to bending 3.5 Sensitivity of the effective index to analyte binding 3.6 Overall sensitivity and detection limit 3.7 Generic design guidelines 3.8 Parameter selection for UV-NIL polymer waveguides 3.9 Comparison of polymer and silicon-based waveguides 3.9.1 Waveguide geometry 3.9.2 Radiation loss due to bending 3.9.3 Material damping 3.9.4 Surface roughness 3.9.5 Coupling channel widths and coupling coefficients 3.9.6 Conclusions 4 Characterization and Proof of Concept 4.1 Manufacturing-based design limits and chosen designs 4.2 Measurement setup and characterization process 4.3 Optical properties of UV-NIL polymer microresonators 4.4 Proof of concept 4.4.1 Sensitivity to bulk solutions 4.4.2 Reproducibility and drift 4.4.3 Comparison with theory 4.4.4 Comparison with literature 4.4.5 Sensitivity improvement 4.5 Asymmetry of the resonance curves 4.5.1 Cavity lifetime 4.5.2 Thermal influence 4.5.3 Summary 4.6 Conclusions 5 Integration into a biosensor platform 5.1 Chemical functionalization by oxygen plasma 5.2 Preparation of a biosensor characterization assay 5.2.1 Binding of fluorescent nanoparticles onto polymer surfaces 5.3 Microfluidic system 5.3.1 Programmable microfluidic system 5.3.2 System evaluation and improvement 5.4 Conclusions 6 Conclusions Declaration of authorship Acknowledgements Publications and awards

The contact of hot melt with liquid water - called Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) - can result in vivid explosions. Such explosions can occur in different scenarios: in steel or powerplants but also in volcanoes. Because of the possible dramatic consequences of such explosions an investigation of the explosion process is necessary. Fundamental basics of this process are already discovered and explained, such as the frame conditions for these explosions. It has been shown that energy transfer during an MFCI-process can be very high because of the transfer of thermal energy caused by positive feedback mechanisms. Up to now the influence of several varying parameters on the energy transfer and the explosions is not yet investigated sufficiently. An important parameter is the melt temperature, because the amount of possibly transferable energy depends on it. The investigation of this influence is the main aim of this work. Therefor metallic tin melt was used, because of its nearly constant thermal material properties in a wide temperature range. With tin melt research in the temperature range from 400 °C up to 1000 °C are possible. One important result is the lower temperature limit for vapor film stability in the experiments. For low melt temperatures up to about 600 °C the vapor film is so unstable that it already can collapse before the mechanical trigger. As expected the transferred thermal energy all in all increases with higher temperatures. Although this effect sometimes is superposed by other influences such as the premix of melt and water, the result is confirmed after a consequent filtering of the remaining influences. This trend is not only recognizable in the amount of transferred energy, but also in the fragmentation of melt or the vaporizing water. But also the other influences on MFCI-explosions showed interesting results in the frame of this work. To perform the experiments the installation and preparation of the experimental Setup in the laboratory were necessary. In order to compare the results to volcanism and to get a better investigation of the brittle fragmentation of melt additional runs with magmatic melt were made. In the results the thermal power during energy transfer could be estimated. Furthermore the model of “cooling fragments “ could be usefully applied. / Das Zusammentreffen von heißer Schmelze mit flüssigem Wasser (Schmelze-Wasser-Interaktion) - auf Englisch Molten-Fuel-Coolant-Interaction (MFCI) - kann zu heftigen Explosionen führen. Diese Explosionen sind in verschiedenen Szenarien möglich: in Stahl- und Kraftwerken, aber auch bei Vulkanen. Wegen der möglichen dramatischen Folgen solcher Explosionen ist eine Erforschung dieser Explosionsvorgänge notwendig. Wesentliche Grundlagen, unter welchen Voraussetzungen Schmelze-Wasser-Interaktionen zu Explosionen führen können, und der Ablauf dieser Vorgänge wurden weitgehend erforscht. Wie diese Forschungen gezeigt haben, kann die übertragene Energie bei diesen Vorgängen wegen positiver Rückkopplungsprozesse sehr hoch sein. Bislang wurden aber noch nicht in ausreichendem Maß die Einflussparameter auf die Energieübertragung und damit auf die Explosionsheftigkeit geprüft. Ein wichtiger Parameter ist die Schmelzetemperatur, da von ihr abhängt, wie viel thermische Energie freigesetzt werden kann. Die Untersuchung des Einflusses dieses Parameters ist das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurde bei den meisten Versuchen metallische Zinnschmelze verwendet, da die Materialwerte von Zinn über einen weiten Temperaturbereich annähernd konstant sind, von denen die Wärmeübertragung abhängt. Mit dieser Zinnschmelze war die Untersuchung der Schmelzetemperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C möglich. Ein wesentliches Ergebnis zeigt die Abhängigkeit der Dampffilmstabilität von der Schmelzetemepratur. Bei niedrigen Schmelzetemperaturen bis etwa 600 °C ist der Dampffilm so instabil, dass er in den Experimenten bereits vor einer mechanischen Erschütterung zusammenbrach, die zu seiner Zerstörung eingesetzt wurde. Wie erwartet ist zu erkennen, dass mit höherer Schmelzetemperatur grundsätzlich mehr Energie umgesetzt werden kann. Obwohl dieser Effekt von weiteren Einflüssen auf die Explosionsstärke unter bestimmten Umständen überdeckt werden kann, wird dieses Ergebnis nach einer konsequenten Filterung der übrigen Einflüsse bestätigt. Diese Tendenz ist nicht nur an den berechneten übertragenen Gesamtenergiemengen erkennbar, sondern auch an den einzelnen Effekten wie z. B. der Fragmentation oder der Wasserverdampfung. Aber auch die weiteren Einflüsse auf die Energieübertragung wie z. B. die Vorvermischung von Schmelze und Wasser zeigten im Rahmen dieser Arbeit und der durchgeführten Experimente interessante Ergebnisse. Um diese Versuche durchführen zu können, waren die Einrichtung und Vorbereitung einer Versuchsanlage erforderlich. Zum Vergleich mit dem Vulkanismus und zur besseren Untersuchung der Feinfragmentation während ärmeübertagung wurden Versuche mit magmatischer Schmelze durchgeführt. In den Ergebnissen konnten thermische Leistungen während der Schmelze-Wasser-Interaktion bestimmt werden. Außerdem konnte das aufgestellte Modell der “kühlenden Fragmente “ sinnvoll angewendet werden.