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Die wichtigste Baugruppe im Verfahrensablauf einer Lost-Foam-Gießanlage ist neben der Gießstation die Vibrationseinrichtung. Diese Einrichtung dient dem Befüllen eines Gießbehälters mit Gießmodell bei gleichzeitigem Verdichten des Formsandes. Es wurden vier Varianten einer dreidimensionalen Vibrationseinrichtung entworfen, teilweise konstruiert und in ihrer Machbarkeit verglichen. Modelliert und simuliert wurde das dynamische Bewegungsverhalten des servohydraulisch angetriebenen dreidimensionalen Vibrationstisches. Es zeigte sich die Eignung der konstruierten Vibrationseinrichtung, ebenfalls wiesen Spannungs- und Verformungsanalysen zur Optimierung eines neuen Gießbehälters seine geforderten Einsatzmöglichkeiten nach. Die Vorzugsvariante, ein dreidimensional servohydraulisch angetriebener Vibrationstisch ohne Klemmrahmen, konnte in eine neue Lost-Foam-Gießanlage projektiert werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere die Untersuchungen zur 3–D–Vibration belegen eindrucksvoll, dass die räumliche Herangehensweise an die Problematik der Befüllung von Modellhohlräumen und –hinterschneidungen sowie der Formsandverdichtung beim Lost–Foam–Prozess der richtige Lösungsansatz ist. D. h., um die Gesetzmäßigkeiten, Abhängigkeiten und gegenseitigen Beeinflussungen der Sandbewegungen in den drei Achsen des Raumes umfassend beurteilen zu können, ist es erforderlich, auch den Formstoffbehälter in diesen drei Achsrichtungen mit voneinander unabhängigen Frequenzen und Amplituden zu erregen. Durch die Kombination der drei Vibrationsrichtungen werden im Hohlraum Dichtewerte des Quarzsandes erreicht, die ihm eine hohe Stabilität und ausreichend Widerstand gegen das Penetrieren des flüssigen Metalls in die Sandschichten verleihen. Für die Erzielung eines optimalen Befüllungs- und Verdichtungsverhaltens werden also alle drei axialen Vibrationsrichtungen benötigt, eine optimale Vibrationsrichtung wurde nicht ermittelt.

In the continuous search for Hydrocarbon and Geothermal resources in the earth, wells are drilled for various purposes. Wildcat, Appraisal, Production and Injection wells are drilled for proper field development and operation. Based on the purpose and plan for the wells, trajectory and targets are defined. During drilling, continuous monitoring of trajectory, rock and fluid characteristics are required to achieve defined objectives. Measurement while Drilling (MWD) and Logging while Drilling (MWD) systems are included as part of the Bottom Hole Assembly (BHA) to perform continuous measurement and transmission of downhole data to the surface. Measured data are converted to binary form and transferred to the surface for further processing and interpretation. Several methods of data transfer are possible albeit with various pros and cons. Currently, the most widely used method of transfer still remains the Mud Pulse Telemetry (MPT) system which makes use of the mud (drilling fluid) within the system for transmission of data. The major focus of this research was to further expand the envelope in the research towards increasing data transmission rates using the mud siren, a form of mud pulse telemetry. This research includes practical investigations which was conducted within the unique Flow Loop Laboratory at the Institute of Drilling and Fluid Mining, TU Bergakademie Freiberg. Within the research, minor adjustments were made to the flow loop facility to align with realities expected on the Rig. Effects of the changes made were evaluated and presented. The pulser section of the flow loop was also redesigned and new mud sirens manufactured to allow for the practical investigation in series and parallel. The major concept for increasing data transmission rate investigated in this research is the Multifrequency Mud Siren transmission in series and parallel. Following up with previous research, simulation of the flop loop scenario using ANSYS CFX was done to allow for numerical evaluation of the multifrequency transmission concept. Simulation runs were performed with various scenarios both in series and parallel, results evaluated and analyzed thereafter. A little mention on the amplification theory was also investigated and results shown. For the practical experiments, the pulser section was redesigned to allow investigations both into the series and parallel conditions for multifrequency transmission. Various experimental flow runs were successfully performed, observations recorded, data analyzed using MATLAB and results discussed. In closing, a conceptual design that contributes towards the possible field application of the Multifrequency transmission concept was developed. The Compact Double Multifrequency Siren concept was designed to aid easier adaptation of the Multifrequency transmission concept both in series and parallel.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v List of Abbreviations vi List of Symbols viii Table of Contents x 1. Introduction 1 2. Literature Review and Fundamentals 5 2.1. Historical perspective 5 2.1.1. Introduction 5 2.1.2. Mud Pulse Telemetry 6 2.1.3. Telemetry drill pipe 7 2.1.4. Electromagnetic telemetry 7 2.1.5. Acoustic Telemetry 8 2.2. Mud Pulse Telemetry devices 9 2.2.1. Positive Pulser 9 2.2.2. Negative Pulser 10 2.2.3. Mud Siren 11 2.2.4. Oscillating Shear Valve 12 2.3. Modulation Techniques for Data Transmission 13 2.3.1. Baseband Transmission 13 2.3.2. Passband Transmission 15 2.4. Signal Transformation and Processing 16 2.4.1. Fourier Transformation 17 2.4.2. Short time Fourier Transformation 17 2.4.3. Continuous Wavelet Transformation 18 2.5. Summary of Previous Research Work on the Flowloop 19 3. Flowloop setup and current changes 21 3.1. Description of Flowloop 21 3.1.1. General overview of Flowloop 21 3.1.2. Pulser Prototypes 25 3.2. Improvement in Flow Loop Set-Up 28 3.2.1. Pump Change Justification 28 3.2.2. Pump replacement 35 3.2.3. Analysis of Pump Replacement 36 4. ANSYS Modelling and Simulation of the Multi Frequency Mud Siren in Series and Parallel 47 4.1. Basics of Numerical simulation with ANSYS CFX 48 4.2. Mesh Generation and Quality 51 4.3. Modelling 53 4.4. CFX-Pre Set-up and Post view 54 4.5. Flow Simulation Results in Series and Parallel 57 5. Laboratory Investigation on the Multi-Frequency Mud Siren Concept 64 5.1. Experiment Background and setup 64 5.2. Laboratory Practical Results and Analysis 68 5.2.1. Series Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 69 5.2.2. Series Transmission Test 2: Double Siren, Multi Frequency 72 5.2.3. Series Transmission Test 3: Double Siren, Multi Frequency Data String Transmission 75 5.2.4. Parallel Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 79 5.2.5. Parallel transmission test 2: Double siren, multi frequency 82 5.2.6. Parallel transmission test 3: Double siren, multi frequency Data String Transmission 84 6. Discussion on the Multi-Frequency Mud Siren Simulation and Practical Results 89 6.1. Result Discussion 89 6.2. Challenges and Sources of Errors 93 7. Outlook 100 7.1 Future Work (Compact Multifrequency Mud Siren) 100 7.2 Recommendations 106 8. Conclusion 107 9. References 111 10. List of Figures 114 11. List of Tables 120 12. Appendix 121

Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind von grundlegender Bedeutung für die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem. Neuronen antworten auf Eingangsreize durch Veränderung der elektrischen Spannung über die Zellmembran. Die Spannungsantwort wird dabei durch die Dynamik der Ionenkanäle in der Zellmembran bestimmt. In dieser Arbeit untersuche ich anhand von leitfähigkeits-basierten Modellneuronen den Einfluss von Ionenkanälen auf zwei Aspekte der Signalverarbeitung: die Frequenz-Selektivität sowie die Zuverlässigkeit und zeitliche Präzision von Aktionspotentialen. Zunächst werden die zell-intrinsischen Mechanismen identifiziert, welche the Frequenz-Selektivität und die Zuverlässigkeit bestimmen. Weiterhin wird untersucht, wie Ionenkanäle diese Mechanismen modulieren können, um die Integration von Signalen zu optimieren. Im ersten Teil der Arbeit wird demonstriert, dass der Mechanismus der unterschwelligen Resonanz, so wie er bisher für periodische Signale beobachtet wurde, auch auf nicht-periodische Signale anwendbar ist und sich ebenfalls in den Feuerraten niederschlägt. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit von Aktionspotentialen mit der Stimulusfrequenz variieren und dass, in Abhängigkeit davon, ob das Stimulusmittel über- oder unterhalb der Feuerschwelle liegt, zwei Stimulusregime unterschieden werden müssen. In beiden Regimen existiert eine bevorzugte Stimulusfrequenz, welche durch die Gesamtleitfähigkeit und die Dynamik spezifischer Ionenkanäle moduliert werden kann. Im dritten Teil wird belegt, dass Ionenkanäle die Zuverlässigkeit auch direkt über eine Veränderung der Sensitivität einer Zelle gegenüber neuronalem Rauschen bestimmen können. Die Ergebnisse der Arbeit lassen auf eine wichtige Rolle der dynamischen Regulierung der Ionenkanäle für die Frequenz-Selektivität und die zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit der Spannungsantworten schließen. / The properties of individual neurons are of fundamental importance for the processing of information in the nervous system. The generation of voltage responses to input signals, in particular, depends on the properties of ion channels in the cell membrane. Within this thesis, I employ conductance-based model neurons to investigate the effect of ionic conductances and their dynamics on two aspects of signal processing: frequency-selectivity and temporal precision and reliability of spikes. First, the cell-intrinsic mechanisms that determine frequency selectivity and spike timing reliability are identified on the basis of conductance-based model neurons. Second, it is analyzed how ionic conductances can serve to modulate these mechanisms in order to optimize signal integration. In the first part, the frequency selectivity of subthreshold response amplitudes previously observed for periodic stimuli is proven to extend to nonperiodic stimuli and to translate into firing rates. In the second part, it is demonstrated that spike timing reliability is frequency-selective and that two different stimulus regimes have to be distinguished, depending on whether the stimulus mean is below or above threshold. In both cases, resonance effects determine the most reliable stimulus frequency. It is shown that this frequency preference can be modulated by the peak conductance and dynamics of specific ion channels. In the third part, evidence is provided that ionic conductances determine spike timing reliability beyond changes in the preferred frequency. It is demonstrated that ionic conductances also exert a direct influence on the sensitivity of the timing of spikes to neuronal noise. The findings suggest an important role for dynamic neuromodulation of ion channels with regard to frequency selectivity and spike timing reliability.

Kognitive Kontrolle bezieht sich auf eine Vielzahl mentaler Fähigkeiten, die es uns erlauben im täglichen Leben zielgerichtete Entscheidungen zu treffen und sich flexibel an sich ständig ändernde Umweltanforderungen anzupassen. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es heraus zu finden, ob Kernfunktionen im Bereich der Konfliktüberwachung, Konfliktkontrolle, Fehlerverarbeitung und die daraus resultierenden Verhaltensanpassungen durch ein einheitliches Kontrollnetzwerk geleistet werden, oder ob spezifische Mechanismen die möglicherweise durch unabhängige neuronale Kontrollschleifen realisiert sind, die Flexibilität unserer Anpassungsfähigkeit steuern. Studie 1 und Studie 2 untersuchen sowohl generelle aus auch spezifische Aspekte der Konflikt- und Fehlerverarbeitung mit Hilfe klassischer Konfliktparadigmen und dem Einsatz von Zeit-Frequenz-analytischen Auswertungsmethoden. Studie 1 untersucht anhand 3 verschiedener Konfliktparadigmen (Simon, Flanker, NoGo) die Modulation der Theta Aktivität (4-8 Hz) und verortet diese grob innerhalb des medial frontalen Cortex (MFC), einer Struktur die durch eine Vielzahl von Studien als entscheidend bei der Konfliktverarbeitung angesehen wird. Die gefundene Theta Aktivität wurde in Studie 2 genutzt, um auch dynamische Netzwerkaktivierungen bei der Bearbeitung von Reiz- und Reaktionskonflikten zu beobachten. Es konnte gezeigt werden, dass ein vermutetes Netzwerk bestehend aus MFC, lateralen präfrontalen Cortices und motorischen Arealen bei der Lösung von Reaktionskonflikten beteiligt ist. In Studie 3 wird eine Simon-Aufgabe, die innerhalb von belohnenden oder bestrafenden Kontexten durchgeführt wurde, genutzt um zu zeigen, dass Konflikt- und Fehlerverarbeitung differentiell durch die Kontextmanipulation beeinflusst werden. Entgegen voriger Annahmen scheinen mehrere neuronale Kontrollsysteme an der Lösung von Konflikten und daraus resultierenden Verhaltensanpassungen beteiligt zu sein. / Cognitive control refers to a set of mental abilities that allow us goal-directed behavior in everyday life and to flexibly adapt to permanently changing environmental demands. The goal of the present dissertation was to investigate whether core functions in the area of conflict monitoring, conflict control, error processing and behavioral adjustments caused by these processes are enabled via a unitary control network or whether specific mechanisms that are possibly realized via independent control loops are responsible for the flexibility of our adaptability. Study 1 and 2 investigate general as well as specific aspects of conflict and error processing by using classic conflict paradigms and time-frequency-analytic methods. Study 1 compares the modulation of theta activity (4-8 Hz) across 3 conflict paradigms (Simon, Flanker, NoGo) and roughly situates it within medial frontal cortex (MFC), a structure which has been characterized as crucial for conflict processing in manifold studies. The found theta activity has been used in study 2, to observe dynamic network activations during processing of stimulus and response conflicts. Data confirmed that a hypothesized network consisting of MFC, lateral prefrontal cortices and motor areas is involved in conflict resolution. In study 3 we used a Simon task which was executed either during a rewarding or a punishing context assessing the influence of motivational contexts on conflict adaptation revealing that conflict and error processing were influenced differentially by the context manipulation. Against previous assumptions, several neuronal control systems seem to be engaged during conflict resolution and resulting behavioral adjustments.

In reading, word frequency is commonly regarded as the major bottom-up determinant for the speed of lexical access. Moreover, language processing depends on top-down information, such as the predictability of a word from a previous context. Yet, however, the exact role of top-down predictions in visual word recognition is poorly understood: They may rapidly affect lexical processes, or alternatively, influence only late post-lexical stages. To add evidence about the nature of top-down processes and their relation to bottom-up information in the timeline of word recognition, we examined influences of frequency and predictability on event-related potentials (ERPs) in several sentence reading studies. The results were related to eye movements from natural reading as well as to models of word recognition. As a first and major finding, interactions of frequency and predictability on ERP amplitudes consistently revealed top-down influences on lexical levels of word processing (Chapters 2 and 4). Second, frequency and predictability mediated relations between N400 amplitudes and fixation durations, pointing to their sensitivity to a common stage of word recognition; further, larger N400 amplitudes entailed longer fixation durations on the next word, a result providing evidence for ongoing processing beyond a fixation (Chapter 3). Third, influences of presentation rate on ERP frequency and predictability effects demonstrated that the time available for word processing critically co-determines the course of bottom-up and top-down influences (Chapter 4). Fourth, at a near-normal reading speed, an early predictability effect suggested the rapid comparison of top-down hypotheses with the actual visual input (Chapter 5). The present results are compatible with interactive models of word recognition assuming that early lexical processes depend on the concerted impact of bottom-up and top-down information. We offered a framework that reconciles the findings on a timeline of word recognition taking into account influences of frequency, predictability, and presentation rate (Chapter 4). / Wortfrequenz wird in der Leseforschung als wesentliche Bottom-up Determinante für die Geschwindigkeit des lexikalischen Zugriffs betrachtet. Darüber hinaus spielen Top-down Informationen, wie die kontextbasierte Wortvorhersagbarkeit, in der Sprachverarbeitung eine wichtige Rolle. Bislang ist die exakte Bedeutung von Top-down Vorhersagen in der visuellen Worterkennung jedoch unzureichend verstanden: Es herrscht Uneinigkeit darüber, ob ausschließlich späte post-lexikalische, oder auch frühe lexikalische Verarbeitungsstufen durch Vorhersagbarkeit beeinflusst werden. Um ein besseres Verständnis von Top-down Prozessen und deren Zusammenhänge mit Bottom-up Informationen in der Worterkennung zu gewährleisten, wurden in der vorliegenden Arbeit Einflüsse von Frequenz und Vorhersagbarkeit auf ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) untersucht. Die Ergebnisse aus mehreren Satzlesestudien wurden mit Blickbewegungen beim natürlichen Lesen sowie mit Modellen der Worterkennung in Beziehung gesetzt. Als primärer Befund zeigten sich in EKP Amplituden konsistent Interaktionen zwischen Frequenz und Vorhersagbarkeit. Die Ergebnisse deuten auf Top-down Einflüsse während lexikalischer Wortverarbeitungsstufen hin (Kapitel 2 und 4). Zweitens mediierten Frequenz und Vorhersagbarkeit Zusammenhänge zwischen N400 Amplituden und Fixationsdauern; die Modulation beider abhängigen Maße lässt auf eine gemeinsame Wortverarbeitungsstufe schließen. Desweiteren signalisierten längere Fixationsdauern nach erhöhten N400 Amplituden das Andauern der Wortverarbeitung über die Dauer einer Fixation hinaus (Kapitel 3). Drittens zeigten sich Einflüsse der Präsentationsrate auf Frequenz- und Vorhersagbarkeitseffekte in EKPs. Der Verlauf von Bottom-up und Top-down Prozessen wird demnach entscheidend durch die zur Wortverarbeitung verfügbaren Zeit mitbestimmt (Kapitel 4). Viertens deutete ein früher Vorhersagbarkeitseffekt bei einer leseähnlichen Präsentationsgeschwindigkeit auf den schnellen Abgleich von Top-down Vorhersagen mit dem tatsächlichen visuellen Input hin (Kapitel 5). Die Ergebnisse sind mit interaktiven Modellen der Worterkennung vereinbar, nach welchen Bottom-up und Top-down Informationen gemeinsam frühe lexikalische Verarbeitungsstufen beeinflussen. Unter Berücksichtigung der Effekte von Frequenz, Vorhersagbarkeit und Präsentationsgeschwindigkeit wird ein Modell vorgeschlagen, das die vorliegenden Befunde zusammenführt (Kapitel 4).

Dynamic soil-structure interaction problems are characterized by an unbounded soil-domain and thus by radiation damping. This radiation damping arises due to wave propagation from the excited structure into the subsoil and may lead to a reduction of the structural response. A consistent description of this radiation damping has been carried out by means of different concepts. A widely used approach truncates the unbounded medium by a special kind of absorbing boundaries which are free of artificial reflection. The resulting finite domain can be treated as usually by finite elements. In this report, an alternative method to represent an unbounded medium in a dynamic analysis is presented. In principle, it is a conjunction of the boundary element method (BEM) in the frequency domain to reproduce the far-field and the finite element method (FEM) in the time domain to analyze the near-field. This alternative procedure avoids the introduction of any artificial boundaries. The procedure is based on a rational approximation of the dynamic stiffness of the unbounded domain in the frequency-domain. In this report, the dynamic stiffness of the unbounded domain is obtained from the BEM. The matrix-valued coefficients of the rational approximation function are determined by means of a least-square procedure. The time-domain representation is achieved by splitting the rational force-displacement relation into a series of linear functions in the frequency-domain corresponding with first order differential equations in the time-domain. This splitting process has been demonstrated as numerically effective and in addition, no Fourier transformation is necessary. In this thesis, dynamic soil-structure interaction problems with a relatively large number of degrees of freedom have been examined. These degrees of freedom arise from the discretization of the coupling interface, internal variables from the splitting procedure and from modeling the structure. The new method is especially suitable for systems with transient excitations as arising from rotating machines at startup and shutdown. The theoretical part of the thesis contains elements of system theory and discusses particularly stability problems arising from the rational approximation. The practical part presents a large amount of convergence studies and numerical results for layered soil and finally represents the propagation damping as a kind of damping ratio which is typically used in elementary structural dynamics. / In der Dynamik der Boden-Bauwerk-Interaktion wird der Boden in vielen Fällen durch ein unbegrenztes elastisches Medium beschrieben, wodurch das Phänomen der Abstrahldämpfung begründet wird. Diese Dämpfung entsteht durch Energietransfer von der erregten Struktur in den Boden durch Wellenausbreitung und reduziert somit die Strukturschwingungen. Um das infinite Bodengebiet dennoch durch finite Elemente beschreiben zu können, werden üblicherweise als Hilfsmaßnahme künstliche sogenannte absorbierende Ränder eingeführt. In dieser Arbeit wird eine alternative Methode zur Darstellung des unbegrenzten Mediums in der Dynamik vorgelegt. Im Prinzip handelt es sich um eine Kopplung der Rand-Element-Methode (REM) für den unendlichen Boden (das sogenannte Fernfeld) im Frequenzbereich und der Finite-Element-Methode (FEM) für das Nahfeld im Zeitbereich. Dieses alternative Verfahren vermeidet die Einführung künstlicher Ränder. Das Verfahren basiert auf einer rationalen Beschreibung der dynamischen Steifigkeit des Fernfeldes im Frequenzbereich. Diese Steifigkeit wird in der vorliegenden Arbeit durch die Rand-Element-Methode erzeugt. Die Matrix-wertigen Koeffizienten der rationalen Frequenzfunktion werden durch Minimierung des Fehlerquadrates berechnet. Die Transformation dieser Frequenzdarstellung in den Zeitbereich gelingt durch algebraische Überführung der rationalen Funktion in ein in der Frequenz lineares Hypersystem mit einer zugeordneten Zustandsgleichung erste Ordnung im Zeitbereich. Dieser Prozess hat sich als numerisch effektiv erwiesen und erfordert darüberhinaus keine Fourier-Transformation. Das entwickelte Vorgehen wird in dieser Arbeit an Problemen der dynamischen Boden-Bauwerk-Interaktion mit einer großen Anzahl von Freiheitsgraden erprobt. Diese Freiheitsgrade folgen aus der Diskretisierung in der Koppelfuge zwischen Boden und Struktur, der Diskretisierung der Struktur selbst und aus der Überführung in das Hypersystem mittels interner Variablen. Das neue Verfahren eignet sich insbesondere für Systeme mit transienter Erregung, wie sie beim An- und Auslaufen von Rotationsmaschinen ensteht. Der theoretische Teil der Arbeit wird geprägt durch Elemente der Systemtheorie und setzt sich zudem mit typischen Stabilitätsproblemen auseinander, die aus der rationalen Beschreibung entstehen. Der praktische Teil präsentiert Konvergenzstudien und numerische Ergebnisse für Boden-Bauwerk- Interaktionsprobleme mit geschichtetem Boden bei transienter Erregung mit Resonanzdurchlauf. Zudem gelingt eine Darstellung der Abstrahldämpfung in Form des Dämpfungsgrades D, wie er in der klassischen Strukturdynamik verwendet wird.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines kinetischen Energy Harvesters vorgestellt, der auf Grundlage des elektrostatischen Wandlerprinzips aus Vibrationen elektrische Energie generiert. Für die Umsetzung wurde eine Siliziummikrostruktur entworfen, die für Arbeitsfrequenzen unter 100 Hz ausgelegt ist. Die Zahnstruktur der verwendeten Elektroden ermöglicht Spaltabstände im Submikrometerbereich und folglich große Kapazitätsänderungen, die durch die Elektrodengeometrie zusätzlich mit einer höheren Frequenz als die mechanische Bewegung stattfinden. Vergleichsweise große Leistungsausbeuten und geringe Quellimpedanzen sind dadurch erreichbar. Die geometrischen Parameter der Elektroden wurden unter Berücksichtigung der auftretenden Fertigungstoleranzen und Wechselwirkungen zueinander optimiert. Für die Ausnutzung einer ausreichend großen Inertialmasse wurde ein feinwerktechnisch hergestellter Hebelmechanismus an die Mikrostruktur angekoppelt. Über diesen wird zusätzlich ein neuer Ansatz zur Abstimmung der Eigenfrequenz des Harvesters umgesetzt. Experimentelle Untersuchungen zeigten Ausgangsleistungen im einstelligen Mikrowattbereich bei Anregungen im Zehntel m/s²-Bereich. Durch fortschreitende Optimierungen der Fertigungstechnologie sind noch deutliche Leistungssteigerungen um mindestens zwei Größenordnungen möglich. Weiterhin wird ein Energiemanagementsystem vorgestellt, welches die effiziente Übertragung der Energie auf den Verbraucher ermöglicht. / In this work the development of a kinetic energy harvester using the electrostatic conversion principle is presented. The silicon microstructure is designed to work in frequency ranges below 100Hz. Its toothed electrode structure enables gap distances in the sub micrometer range and consequently high changes of capacitance. Additionally, due to the electrode geometry the frequency of the capacitance changes is higher then the frequency of the mechanical movement. Thus high power outputs and low source impedances can be reached. The electrodes geometric parameters were optimized considering manufacturing tolerances and interactions of the parameters. To reach a sufficient inertial mass, a lever mechanism manufactured by precision engineering was connected to the microstructure. This mechanism also allows the implementation of a new method of frequency tuning. In experimental tests power outputs in the single digit microwatt range under excitations of 0.3 m/s² were reached. In accordance of further optimizations of the manufacturing technology significantly higher outputs, by at least two orders of magnitude, are possible,. Furthermore an energy management system is presented, that allows the efficient transfer of the electrical energy to the consumer.

This thesis experimentally demonstrates four approaches of frequency control of magnetic auto-oscillations in spin Hall nano-oscillators (SHNOs). The frequency can be changed in the GHZ-range by external magnetic fields as shown in this work. This approach uses large electromagnets, which is inconvenient for future applications. The nonlinear coupling between oscillator power and frequency can be used to control the latter one by changing the applied direct current to the SHNO. The frequency can be controlled over a range of several 100 MHz as demonstrated in this thesis. The first part of the experimental chapter demonstrates the synchronization (injection-locking) between magnetic auto-oscillations and an external microwave excitation. The additionally applied microwave current generates a modulation of the effective magnetic field, which causes the interaction with the auto-oscillation. Both synchronize over a range of several 100 MHz. In this range, the auto-oscillation frequency can be controlled by the external stimulus. An increase of power and a decrease of line width is achieved in the synchronization range. This is explained by the increased coherence of the auto-oscillations. A second approach is the synchronization of auto-oscillations to an alternating magnetic field. This field is generated by a freestanding antenna, which is positioned above the SHNO. The second part of the experimental chapter introduces a bipolar concept of SHNOs and its experimental demonstration. In contrast to conventional SHNOs, bipolar SHNOs generate auto-oscillations for both direct current polarities and both directions of the external magnetic field. This is achieved by combining two ferromagnetic layers in an SHNO. The combination of two different ferromagnetic materials is used to switch between two frequency ranges in dependence of the direct current polarity since it defines the layer showing auto-oscillations. This approach can be used to change the frequency in the GHz-range by switching the direct current polarity. / Diese Arbeit demonstriert experimentell vier verschiedene Methoden der Frequenzkontrolle magnetischer Auto-Oszillationen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs). Durch externe magnetische Felder kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wie es in dieser Arbeit gezeigt wird. Dies erfordert jedoch große Elektromagneten, deren Nutzung für zukünftige Anwendungen der SHNOs nicht geeignet sind. Aufgrund der nichtlinearen Kopplung zwischen Oszillatorleistung und Oszillatorfrequenz, lässt sich letztere durch den Versorgungsstrom beeinflussen. Dies ist typischerweise in einem Bereich von mehreren 100 MHz möglich, wie es an mehreren Stellen dieser Arbeit gezeigt wird. Im ersten Abschnitt des Ergebnisteils wird die Synchronisation der magnetischen Auto-Oszillationen zu einer externen Mikrowellenanregung demonstriert. Der zusätzlich eingespeiste Mikrowellenstrom erzeugt eine Modulation des effektiven Magnetfelds, was zur Wechselwirkung mit den Auto-Oszillationen führt. Diese synchronisieren über eine Frequenzdifferenz von mehreren 100 MHz. In diesem Bereich lässt sich die Frequenz der Auto-Oszillation mit der äußeren Frequenz steuern. Innerhalb des Synchronisationsbereichs wird außerdem eine Erhöhung der Leistung und eine Verringerung der Linienbreite der Auto-Oszillationen festgestellt. Dies wird mit einer Erhöhung der Kohärenz der Auto-Oszillationen erklärt. Neben der zusätzlichen Einspeisung eines Mikrowellenstroms können die Auto-Oszillationen auch zu einem magnetischen Wechselfeld synchronisieren, welches von einer frei beweglichen Antenne erzeugt wird, die über dem SHNO positioniert wird. Im zweiten Abschnitt des Ergebnisteils wird ein bipolares Konzept eines SHNO vorgestellt und seine Funktionsfähigkeit experimentell nachgewiesen. Im Vergleich zu konventionellen SHNOs erzeugen bipolare SHNOs Auto-Oszillationen für beide Polaritäten des elektrischen Versorgungsstroms und beide Richtungen des externen Magnetfelds. Dies wird durch die Kombination zweier ferromagnetischer Lagen in einem SHNO erreicht. Die Kombination unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien kann genutzt werden, um die Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit der Stromrichtung zu ändern, da diese bestimmt in welcher Lage die Auto-Oszillationen erzeugt werden können. Durch eine geeignete Materialkombination kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wenn die Strompolarität umgekehrt wird.