Die vorliegende Arbeit beschreibt einen MEMS Vakuumsensor, dessen Funktionsprinzip auf der druckabhängigen Squeezedämpfung in engen Spalten und der ebenfalls druckabhängigen Molekulardämpfung beruht. Nach einer kurzen geschichtlichen Einführung in die Vakuummeßtechnik und der technischen Klassifikation des MEMS-Sensors wird ein Modell zur mathematischen Beschreibung des Sensors hergeleitet. Methoden unterschiedlicher Autoren zur Berechnung der druckabhängigen Squeeze- und Molekulardämpfung werden diskutiert und mit eigenen Meßwerten verglichen. Anhand der Ergebnisse wird ein Modell zur Berechnung der druckabhängigen Dämpfung des Sensors aufgestellt. Neben der direkten elektrischen Kontaktierung zur Energieversorgung des Sensors werden Möglichkeiten einer indirekten induktiven und kapazitiven Energieübertragung ins Vakuum untersucht und die theoretischen sowie meßtechnischen Ergebnisse diskutiert. Eine Auswahl von Methoden zur Detektion der Sensorbewegung wird vorgestellt und deren Eignung für den Sensorbetrieb theoretisch und praktisch überprüft. Zur Bestimmung der druckabhängigen Dämpfung des Sensors gibt es unterschiedliche Verfahren, die beschrieben und bezüglich ihrer Anwendbarkeit bewertet werden. An gefertigten Sensoren wurden umfangreiche Messungen durchgeführt, um das reale Verhalten der Sensoren zu beschreiben und mit dem rechnerisch ermittelten zu vergleichen. Hierbei werden verschiedene Aspekte wie u. a. Meßbereich, Gasartabhängigkeit, Einsatztemperatur sowie Meß- und Wiederholgenauigkeit berücksichtigt. Die Arbeit wird mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblick auf weitere Verbesserungsmöglichkeiten des Sensors abgeschlossen.

After almost half a millennium of technological development, printing technologies have achieved a level to fulfill their mission: to satisfy the demands of a faithful human reception of the whole variety of shape and color from nature by discrete colored screen dots on substrates (e.g. paper, foil). Nowadays improvements of industrial printing are more or less solely limited to improvements of the production efficiency. During the last decade, several R&D and business approaches have been published which employ printing technologies for the production of items with functionalities other than color images. In case of these new applications, the major advantage of printing technologies is the full additivity of the material deposition addressing exactly the geometrical areas where it is needed – without lithography. Beyond that, the digital printing technique inkjet allows the handling of smallest amounts of rare (and therefore costly) functional materials. In our paper we introduce our strategy of functional printing that exploits the potential of cutting-edge printing technologies for the digital fabrication of items with advanced – i.e. “not only graphical” – functionalities. The presented examples comprise concepts for printed energy storage devices, packages with RFID functionality, printed membranes and micro sieves, electrically conducting tracks and outline further approaches to manufacture devices and components of organic and large-area electronics. The implementation of functional printing requires well-directed interdisciplinary efforts to manufacture stacks of functional layers and to understand their structure-property relationships. In many cases the envisaged functionality is directly related rather to the nanoscopic structures than to bulk materials properties. We introduce the integrated research approach of Printed Functionalities in Chemnitz comprising Chemnitz University of Technology for science, the Fraunhofer Institution for Electronic Nanosystems (FhG ENAS) for applied science and industrialization as well as world-class companies on the Chemnitz Smart Systems Campus for the exploitation of future organic and large-area electronics products.

Vor dem Hintergrund steigender Energie- und Rohstoffpreise stellen die Anwender elektrischer Antriebe zunehmend die Forderung nach einer wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen. Um einerseits Masse, Bauvolumen und Material zu sparen, andererseits aber auch die Verluste in der elektrischen Maschine zu senken, müssen moderne Magnetkreiswerkstoffe und Wicklungstechnologien angewendet werden. Im Rahmen der Diplomarbeit sind verschiedene Varianten energieeffizienter Elektromaschinen zu untersuchen. Hierbei sind insbesondere folgende Ausführungsformen detailliert zu betrachten: • Permanenterregte Synchronmaschine mit Si-legiertem Blech (Referenz) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Co-legiertem Blech • Permanenterregte Synchronmaschine mit Ni-legiertem Blech • Einsatz von SMC (Soft Magnetic Compound, Pulververbundwerkstoff) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Zahnspulenwicklung • Sinnvolle Kombinationen der o.g. Punkte Die Untersuchungen sollen sich dabei auf Antriebsmotoren im Leistungsbereich um 1 kW bei Drehzahlen von 1400 bis 3000 min−1 erstrecken. Für jede Variante ist mit Hilfe von FEM-Berechnungen der Magnetkreis im Sinne geringster Verluste zu optimieren und der zu erwartende Wirkungsgrad im Bemessungspunkt abzuschätzen. Darüber hinaus sind Referenzmessungen an einer konventionellen permanenterregten Synchronmaschine vorzunehmen, um die erhaltenen Ergebnisse sinnvoll einordnen zu können.

Diese (Doktor)arbeit beschäftigt sich mit Radar-Polarimetrie, insbesondere mit der Untersuchung der Eigenschaften von polarimetrischen Variablen, die potenziellen Nutzen für die Radar-Meteorologie haben. Für den Einsatz in Dual-Polarisations-Radargeräten wird der Polarisationsgrad analysiert. Diese Variable wird in künftigen operationellen Radargeräten verfügbar sein. Der Polarisationsgrad hängt vom transmittierten Polarisationszustand und in weiterer Folge auch vom Betriebsmodus des Radargeräts ab. Der Hauptbetriebsmodus von operationellen Radargeräten sendet und empfängt gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente. Der sekundäre Betriebsmodus sendet und empfängt simultan die horizontal polarisierte Komponente. In dieser Arbeit werden beide Polarisationsgrade untersucht. Da operationelle Systeme derzeit auf den Dual-Polarisationsmodus aufgerüstet werden, sollte künftig die Anwendungsmöglichkeiten von vollpolarimetrischen Wetterradarsystemen untersucht werden. Aus allen Variablen, die in diesem Betriebsmodus zur Verfügung stehen, wurde die Entropie (des gemessen Objektes) ausgewählt und wegen seiner engen Beziehung zum Polarisationsgrad näher untersucht. / The present doctoral thesis deals with radar polarimetry, namely with the investigation of properties of polarimetric variables potentially useful in radar meteorology. For use with dual-polarization radars, the degree of polarization is analyzed. This variable is available to planned operational radars. The degree of polarization is dependent on transmit polarization state and, consequently, it is dependent on the radar system operating mode. The primary operating mode of operational radars consists in simultaneous transmission and simultaneous receive of both horizontal and vertical components. The secondary operating mode consists of horizontal transmission and simultaneous receive. Both degrees of polarization are investigated in this thesis. Also, as operational systems are being updated to dual-polarization, research should start investigating the capabilities of fully polarimetric weather radar systems. Among the numerous variables available from this operating mode, the target entropy was chosen for investigation, also because of its close relation to the degree of polarization

Digitale Menschmodelle zur Produkt- und Prozessgestaltung werden kurz vorgestellt. Eine empirische Studie zum Einsatz der Systeme in der Praxis wird beschrieben und deren Ergebnisse exemplarisch vorgestellt. Daraus werden Ansätze zur Weiterentwicklung abgeleitet. / A short overview of digital human models for ergonomic product and workplace design introduces this article. The results of a survey with users of these systems show the practical usage of digital human models. Approaches to further research and development are presented.

Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.

Die ergonomische Gestaltung eines Produktes wird genauso wie die ergonomische Arbeitsplatzgestaltung zunehmend durch virtuelle Werkzeuge unterstützt. In diesem Beitrag wird vorgestellt, inwieweit digitale Menschmodelle als Werkzeuge virtueller Ergonomie in den CAx-/PLM-Systemen und der Digitalen Fabrik funktionieren. Anhand einer Evaluierung dieser Systeme in der Praxis wird aufgezeigt, welche Methoden die digitalen Menschmodelle erfolgreich zur Verfügung stellen und in welchen Bereichen eine Weiterentwicklung nötig ist. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob die Werkzeuge einer virtuellen Ergonomie auch zukünftig Expertentools bleiben, oder ob sich die Systeme als ergonomische Standardwerkzeuge etablieren könnten.

Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Navigationssysteme sollen nach Möglichkeit an jedem Ort und zu jeder Zeit funktionieren. Satellitennavigationssysteme unterliegen jedoch gewissen äußerlichen Einschränkungen, die die Positionierung erschweren oder erheblich verschlechtern. In einem urbanen Gebiet sind die Einflüsse auf die Positionierung mit Satellitensystemen durch die eingeschränkten räumlichen Verhältnisse besonders groß. Sowohl Mehrwege-Effekte wie auch die Verkleinerung des Sichtbereiches zu den Satelliten treten deutlich mehr auf. Mit der Verwendung von mehreren Satellitensystemen soll versucht werden, die Positionierung im urbanen Gebiet zu verbessern oder überhaupt erst möglich zu machen. Zur Untersuchung werden dafür die Eigenschaften Verfügbarkeit, Genauigkeit und Integrität für GPS, für GLONASS und für beide Systeme als ein Gesamtsystem genauer betrachtet.

The controlled positioning of DNA nanostructures on technologically relevant surfaces represents a major goal along the route toward the full-scale integration of DNA-based materials into nanoelectronic and sensor devices. Previous attempts to arrange DNA nanostructures into defined arrays mostly relied on top-down lithographic patterning techniques combined with chemical surface functionalization. Here we combine two bottom-up techniques for nanostructure fabrication, i.e., self-organized nanopattern formation and DNA origami self-assembly, in order to demonstrate the electrostatic self-alignment of DNA nanotubes on topographically patterned silicon surfaces. Self-organized nanoscale ripple patterns with periodicities ranging from 20 nm to 50 nm are fabricated by low-energy ion irradiation and serve as substrates for DNA origami adsorption. Electrostatic interactions with the charged surface oxide during adsorption direct the DNA origami nanotubes to the ripple valleys and align them parallel to the ripples. By optimizing the pattern dimensions and the Debye length of the adsorption buffer, we obtain an alignment yield of ~70%. Since this novel and versatile approach does not rely on any chemical functionalization of the surface or the DNA nanotubes, it can be applied to virtually any substrate material and any top-down or bottom-up nanopatterning technique. This technique thus may enable the wafer-scale fabrication of ordered arrays of functional DNA-based nanowires.