5G was and is still surrounded by many promises and buzzwords, such as the famous 1 ms, real-time, and Ultra-Reliable and Low-Latency Communications (URLLC). This was partly intended to get the attention of vertical industries to become new customers for mobile networks, which shall be deployed in their factories. With the allowance of federal agencies, companies deployed their own private 5G networks to test new use cases enabled by 5G. But what has been missing, apart from all the marketing, is the knowledge of what 5G can really do? Private 5G networks are envisioned to enable new use cases with strict latency requirements, such as robot control. This work has examined in great detail the capabilities of the current 5G Release 15 as private network, and in particular its suitability with regard to time-critical communications. For that, a testbed was designed to measure One-Way Delays (OWDs) and Round-Trip Times (RTTs) with high accuracy. The measurements were conducted in 5G Non-Standalone (NSA) and Standalone (SA) net-works and are the first published results. The evaluation revealed results that were not obvious or identified by previous work. For example, a strong impact of the packet rate on the resulting OWD and RTT was found. It was also found that typically 95% of the SA downlink end-to-end packet delays are in the range of 4 ms to 10 ms, indicating a fairly wide spread of packet delays, with the Inter-Packet Delay Variation (IPDV) between consecutive packets distributed in the millisecond range. Surprisingly, it also seems to matter for the RTT from which direction, i.e. Downlink (DL) or Uplink (UL), a round-trip communication was initiated. Another important factor plays especially the Inter-Arrival Time (IAT) of packets on the RTT distribution. These examples from the results found demonstrate the need to critically examine 5G and any successors in terms of their real-time capabilities. In addition to the end-to-end OWD and RTT, the delays caused by 4G and 5G Core processing has been investigated as well. Current state-of-the-art 4G and 5G Core implementations exhibit long-tailed delay distributions. To overcome such limitations, modern packet processing have been evaluated in terms of their respective tail-latency. The hardware-based solution was able to process packets with deterministic delay, but the software-based solutions also achieved soft real-time results. These results allow the selection of the right technology for use cases depending on their tail-latency requirements. In summary, many insights into the suitability of 5G for time-critical communications were gained from the study of the current 5G Release 15. The measurement framework, analysis methods, and results will inform the further development and refinement of private 5G campus networks for industrial use cases.

Knowledge of the end winding inductance of electrical machines is decisive for calculating their operating performance. In this article, two different approaches to analytically calculate the stator end winding inductance of large induction machines are discussed. The first method is based on the exact replication of the 3D conductor geometry using serially connected straight filaments, where the inductances are calculated by solving Neumann’s integral. In the second method, the end winding flux is resolved into components excited by the axial and circumferential end winding magnetomotive force, resulting in a far simpler geometrical model. In both cases, end face effects are taken into account by adopting the method of images. The analytical approaches are compared to the known analytical calculation method proposed by Alger [1]. In addition, the stator end winding inductance is computed by means of 3D finite-element analysis. Using experimental validation, it is shown that both the analytical and numerical results reasonably correlate with removed rotor inductance measurements taken for several induction machines with different rated powers and frame sizes, if the permeability of the laminated core is taken into consideration.

Thematisch eingebettet in das Forschungsgebiet der energiesparsamen Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Entwurf und der Analyse von Leistungsverstärkern (LV) für drahtlose Übertragungssysteme. Die Arbeit konzentriert sich einerseits auf den asymmetrischen Doherty-Leistungsverstärker (DPA), welcher in einem Ausgangsleistungs-Backoff (OBO) von mehr als 6 dB einen zusätzlichen Ef fizienzhochpunkt aufweist. Andererseits wird die Topologie des geschalteten inversen Klasse-E Verstärkers beleuchtet, der sich durch einen theoretischen Wirkungsgrad von 100 % auszeichnet und daher für den Einsatz in energiesparsamer IKT von besonderem Interesse ist. Das Breitbandverhalten des DPA wird zur Optimierung der Leistungseffizienz (PAE) theoretisch analysiert. Hierbei wird der Einfluss der charakteristischen Impedanz des Impedanzinverters (IT) im Main-Pfad untersucht. Daran anknüpfend werden drei asymmetrische Sub-6 GHz DPA mit unterschiedlichen IT entworfen. Labormessung ergeben eine maximale PAE zwischen 52 % und 63 % bei einer Ausgangsleistung von 41 dBm bis 42 dBm, was für einen derartigen LV mit einer Mittenfrequenz oberhalb von 3 GHz den höchsten Wert im Vergleich zum Stand der Technik darstellt. Neben diesem diskreten Aufbau werden zwei weitere integrierte asymmetrische DPA-Designs in Galliumnitrid (GaN) bzw. Siliziumgermanium (SiGe) vorgestellt. Für den GaN-DPA mit Chebyshev-Anpassnetzwerk wird in der Messung eine abweichende Phasenlage zwischen Peak- und Main-Pfad detektiert, die nachträglich durch Bonddrahtmodifikation auf dem Chip verbessert wird. Der Schaltkreis erreicht eine hohe PAE im OBO von 34 % bis 54 %. Der dritte Entwurf untersucht einen zweistufigen asymmetrischen DPA in SiGe, der auf einer Analyse des WLAN-Standards bei 60 GHz basiert. Diese Analyse ergibt ein Verhältnis von maximaler zu mittlerer Ausgangsleistung (PAPR) von 8 dB. Der LV erreicht im Frequenzbereich von 59 GHz bis 67 GHz den vergleichsweise höchsten Leistungsgewinn von 22 dB. Die inverse Klasse-E Topologie wird als Ausgangsstufe in einem polaren Vektormodulator mit niedriger Versorgungsspannung verwendet. Eine theoretische Analyse der Topologie zeigt, dass die für einen effizienten Betrieb erforderlichen Induktivitäten geringer sind als beim klassischen Klasse-E Verstärker. Der daraus resultierende geringere Bedarf an Chipfläche macht diese Topologie besonders für stark skalierte CMOS-Prozesse interessant. Es werden zwei integrierte Schaltkreise (IC) in 45 nm bzw. 22 nm CMOS entworfen. Das Prinzip des Vektormodulators wird mit dem in 45 nm gefertigten IC getestet. Zur Steigerung der Ausgangsleistung auf bis zu 19,3 dBm wird die Topologie in eine neuartige inverse Klasse-E Gegentaktstufe überführt. Die kompakte Schaltung zeichnet sich durch eine hohe relative Bandbreite von 70,5 % aus. Neben den rein schaltungstechnischen Inhalten der Arbeit wird in einer kollaborativen Studie das Reduktionspotential von Treibhausgasemissionen durch IKT untersucht. Ziel ist der interdisziplinäre Brückenschlag zwischen Umwelt- und Ingenieurwissenschaften, um die ganzheitliche Sichtweise auf das Thema energieeffizienter IKT zu erweitern. Am Beispiel deutscher Konferenzreisen für das Jahr 2030 wird anhand einer Szenarioanalyse gezeigt, dass die deutschen CO2-Emissionen durch den Einsatz neuartiger 2D/3D-Videokonferenzsysteme jährlich um bis zu 20, 51 MtCO2e gesenkt werden könnten. Dies entspräche rund 2,7 % der gesamtdeutschen Emissionen. In diesem Teil der Arbeit werden mögliche Chancen des IKT-Beitrags zur Erreichung der Klimaziele deutlich. Unklar bleibt allerdings, ob es zu Rebound-Effekten kommt und wie Ressourcenbedarf und Recycling der Technologie in Zukunft nachhaltig gestaltet werden können.

In vielen Anwendungsgebieten der Lasermesstechnik kann eine adaptive örtliche und zeitliche Lichtfeldformung völlig neue Perspektiven eröffnen. In der Optogenetik sind beispielsweise sowohl schnell in drei Dimensionen adressierbare Einzelpunkte mit einem maximalen Durchmesser von 10 μm für die Stimulation einzelner Zellen als auch komplexe Muster für die Aktivierung oder Inhibierung ganzer Zellgruppen notwendig, um fortgeschrittene Analysen neuronaler Netzwerke durchzuführen. Computergenerierte Hologramme (CGH) sind durch die vielseitigen Möglichkeiten der Amplituden- und Phasenmodulation für die Mustererzeugung am besten geeignet. Zur Darstellung von CGH weit verbreitete Flüssigkristall-Flächenlichtmodulatoren besitzen oft eine Megapixelauflösung aber eine Bildrate von nur wenigen Hertz. Durch Innovationen im Consumer-Bereich stehen mit mikroelektromechanischen Scannerspiegeln und ferroelektrischen binären Phasenmodulatoren neuartige Bauelemente zur Verfügung, die gleichzeitig hohe Orts- und Zeitauflösung vereinen. Aufbauend auf solchen Geräten mit 250 Hz bzw. 1,7 kHz Bildrate wurden in dieser Arbeit computergestützte adaptive optische Systeme für den Bereich des lasergenerierten Ultraschalls sowie für die Optogenetik entwickelt und angewendet. Anhand von Computersimulationen wurden Methoden zur schnellen Erzeugung binärer Phasenhologramme verglichen. Für Fresnelhologramme führt eine Fehlerdiffusionsmethode zu rekonstruierten Bildern ähnlicher der gewünschten Intensitätsverteilung und ist dabei mehr als 10× schneller als die zweitbeste Methode, welche auf dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus beruht. Im Bereich des lasergenerierten Ultraschalls konnten durch einen mikroelektromechanischen Senkspiegel-Modulator ringförmige Beleuchtungsmuster unterschiedlichen Durchmessers generiert werden, die eine Fokussierung von Scherwellen in verschiedenen Tiefen in einem Aluminiumwerkstück bewirkten. So können potenziell Materialeigenschaften kontaktfrei mit hoher Bandbreite erfasst werden. Für die optogenetische Netzwerkanalyse wurden zwei Systeme zur zellulären und subzellulären dreidimensionalen Stimulation und Inhibierung entwickelt. Durch ein iteratives Korrekturverfahren mit Zernike-Polynomen konnte durch die Korrektur systeminhärenter Aberrationen eine nahezu beugungsbegrenzte laterale Ortsauflösung erreicht werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Konnektivität neuronaler Netze mit diesen Systemen beobachtet. Durch die gezielte Einzelzellstimulation konnten dabei allein mit elektrischer Stimulation nicht sichtbare Effekte wie distanzabhängige Signalgeschwindigkeiten und Verknüpfungen zwischen nicht anhand elektrischer Signale erfassbaren Neuronen beobachtet werden. Dies eröffnet neue Wege z.B. für pharmakologische Untersuchungen und die Analyse neurodegenerativer Krankheiten.:Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV 1 Motivation/Einleitung 1 2 Grundlagen der Strahlformung 5 2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5 2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5 2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6 2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8 2.1.4 Zernike-Polynome 10 2.2 Computergenerierte Hologramme 10 2.2.1 Direkte Berechnung 11 2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12 2.2.3 Simulated Annealing 16 2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19 3 Binäre Phasenhologramme 21 3.1 Gerchberg-Saxton 23 3.2 Thresholding 23 3.3 Error Diffusion 24 3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28 3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31 3.6 Zusammenfassung 33 4 Anwendung I: Laserultraschall 35 4.1 Einleitung 35 4.2 Problemstellung 35 4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37 4.4 Versuchsaufbau 40 4.5 Durchgeführte Messungen 42 4.6 Zusammenfassung 45 5 Anwendung II: Optogenetik 47 5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47 5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53 5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53 5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54 5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56 5.2.4 Verwendete Zellkultur 57 5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58 5.2.6 Framerate des Modulators 60 5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61 5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63 5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65 5.3.1 Experimenteller Aufbau 66 5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68 5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69 5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72 5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73 5.3.6 Zusammenfassung 77 5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78 5.4.1 Zellkultur 80 5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80 5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81 5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83 5.4.5 Spike-Sorting 84 5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85 5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86 5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86 5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86 5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87 5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88 5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90 5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95 5.4.14 Diskussion 99 5.4.15 Zusammenfassung 101 6 Zusammenfassung 103 Literaturverzeichnis 107 / In many application areas of laser measurement technology, adaptive local and temporal light field shaping can open up completely new perspectives. In optogenetics, for example, single foci with a maximum diameter of 10 μm, addressable in three dimensions, as well as complex light patterns are necessary for the the activation or inhibition of single cells or whole cell groups, respectively, to perform in-depth analyses of neuronal networks. Computer-generated holograms (CGH) are best suited for this purpose due to their versatile possibilities of amplitude and phase modulation. To display these, fast spatial light modulators (SLM) with a large number of pixels are required. Widely used liquid crystal SLMs, however, often have a megapixel resolution but a frame rate of only a few Hertz. Due to innovations in the consumer sector, microelectromechanical scanner mirrors and ferroelectric binary phase modulators are available, which offer high spatial and temporal resolution at the same time. Building on such devices with 250 Hz and 1.7 kHz frame rate, respectively, this work presents the development and application of computer-aided adaptive optical systems for laser-generated ultrasound and optogenetics. Based on computer simulations, methods for the fast generation of binary phase holograms were compared. For Fresnel holograms, an error diffusion method led to reconstructed images with highest similarity to the desired intensity distributions and was more than 10× faster than the second best method, which was based on the Gerchberg-Saxton algorithm. In the field of laser-generated ultrasound, a microelectromechanical modulator was used to generate ring-shaped illumination patterns of different diameters, which allow a focussing of shear waves in varying depths in an aluminium workpiece. This way, material properties can potentially be detected without contact and with a high bandwidth. For optogenetic network analysis, two systems for cellular and subcellular three-dimensional stimulation and inhibition were developed. Using ferroelectric liquid crystal modulators, frame rates up to the kilohertz range can be achieved. An iterative correction procedure with Zernike polynomials was able to correct system-inherent aberrations to achieve almost diffraction-limited lateral spatial resolution. Applying these systems, the temporal evolution of neural network connectivity was observed. Through targeted single-cell stimulation, effects not visible with electrical stimulation alone, such as distance-dependent signal velocities and connections between neurons undetectable by electrical recording, were observed. This opens up new ways for pharmacological investigations and the analysis of neurodegenerative diseases.:Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV 1 Motivation/Einleitung 1 2 Grundlagen der Strahlformung 5 2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5 2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5 2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6 2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8 2.1.4 Zernike-Polynome 10 2.2 Computergenerierte Hologramme 10 2.2.1 Direkte Berechnung 11 2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12 2.2.3 Simulated Annealing 16 2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19 3 Binäre Phasenhologramme 21 3.1 Gerchberg-Saxton 23 3.2 Thresholding 23 3.3 Error Diffusion 24 3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28 3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31 3.6 Zusammenfassung 33 4 Anwendung I: Laserultraschall 35 4.1 Einleitung 35 4.2 Problemstellung 35 4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37 4.4 Versuchsaufbau 40 4.5 Durchgeführte Messungen 42 4.6 Zusammenfassung 45 5 Anwendung II: Optogenetik 47 5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47 5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53 5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53 5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54 5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56 5.2.4 Verwendete Zellkultur 57 5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58 5.2.6 Framerate des Modulators 60 5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61 5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63 5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65 5.3.1 Experimenteller Aufbau 66 5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68 5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69 5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72 5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73 5.3.6 Zusammenfassung 77 5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78 5.4.1 Zellkultur 80 5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80 5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81 5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83 5.4.5 Spike-Sorting 84 5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85 5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86 5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86 5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86 5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87 5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88 5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90 5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95 5.4.14 Diskussion 99 5.4.15 Zusammenfassung 101 6 Zusammenfassung 103 Literaturverzeichnis 107

Ultradünne Gläser (engl. Ultra Thin Glass – UTG) sind ab einer Glasdicke von 25 μm industriell herstellbar und verfügen über eine mechanische Flexibilität. Außerdem hat Glas in Abhängigkeit der Glassorte das Potenzial, eine gute chemische und thermisch Beständigkeit sowie gute elektrische Eigenschaften zu besitzen, wodurch es als Sub-stratmaterial für die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik geeignet ist. Der-zeit wächst die Anzahl am Markt verfügbarer ultradünner Gläser und durch bereits entwickelte Rolle zu Rolle (R2R) Anlagen ist eine industrielle Verarbeitung von UTG realisierbar. Um Glas, im Speziellen ultradünnes Glas, in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik als Substratmaterial zu nutzen, wird die Anwendung interdisziplinärer Me-thoden notwendig. Durch die vorliegende Arbeit wird ein Überblick verschiedener Verfahren vorgestellt und ausgewählte Verfahren getestet, welche für die Herstellung von UTG-basierter, hochtemperaturfähiger (HT-fähiger) Schaltungsträger und/oder Sensorik notwendig sind. Abgedeckt wird das gesamte Spektrum beginnend bei der Konfektionierung und Bearbeitung über die Funktionalisierung bzw. die Funktions-schichtabscheidung, die Erzeugung HT-fähiger elektrischer Verbindungen bis hin zur Herstellung und den Test von Demonstratoren in Form von Druck- und Kraftsenso-ren. / Ultra Thin Glasses (UTG) can be produced industrially from a thickness of 25 μm and are mechanically flexible. Furthermore, glass has the potential to have a good chemi-cal and thermic persistence (depending on the type of glass) as well as good electrical characteristics, which makes it interesting as a material to use for the packag-ing of integrated circuits of electronics. Currently, the amount of ultra-thin glasses on the market is rising and roll to roll systems (R2R) allow an industrial processing of UTG. For the use of glass, especially ultra-thin glass for the packaging of integrated circuits of electronics, the use of interdisciplinary methods is needed. This thesis will give an overview over different procedures of which some selected ones, that are essential for the production of UGT-based, high-temperature (HT) resistant circuit carrier and/or sensor technology, will be tested. In doing so, the whole range will be covered: from packaging and processing to the functionalisation or functional layer disposition and the creation of HT-capable electrical connection as well as the production and testing of demonstration systems in the form of pressure sensors and force sensors.

Multiphase flows are simultaneous flows of two or more immiscible fluids in a pipe or vessel. Multiphase flows occur in a wide variety of industrial applications, such as chemical reactors, power generation, oil and gas production or transportation, etc. In most of these applications, efficiency and process reliability depend not insignificantly on the composition and flow morphology of these multiphase flows. Therefore, accurate determination of parameters such as phase fractions and their spatial distribution, as well as measurement of volumetric or mass flow rates, is essential to optimize and ensure correct operation of the equipment. For a better prediction of flow characteristics of multiphase systems, the development and validation of analytical models and CFD codes for simulations of multiphase flows has been promoted for some time in thermofluid dynamics research. For this purpose, the in-depth analysis of multiphase flows with high spatial and temporal resolution is essential. However, to date, there is no universal sensor that can directly measure all the required flow parameters over the full range of all flow conditions. Therefore, several strategies have been developed to solve this problem. For pure measurement of fluid composition and mixture volume flow, for example, the fluid mixture is often conditioned before measurement by separation into individual phases or by homogenization. However, this does not allow any more information about the flow morphology. In situations where the fluid cannot be preconditioned, for example when investigating bubble size distributions or predicting plug flows, imaging techniques such as wire-mesh sensors therefore play an important role because they provide cross-sectional images of the flow in rapid succession. This information can be used to determine phase distributions and identify flow regimes, which in turn can serve as input to other sensors to find optimal operating points. In addition, such information is important for validating models and numerical simulations. Although wire-mesh sensors are very attractive and now widely used due to their high spatial and temporal resolution, the measurement signals obtained from the sensor can be corrupted by energy losses and channel crosstalk under certain conditions. Therefore, a better understanding of the real physical conditions when using wire-mesh sensors is essential to improve the measurement accuracy and to extend the range of applications, e.g., for the measurement of media with very high conductivities or for an accurate quantification of individual phases in three-phase flows. In the present work, the current limitations of existing wire-mesh sensor systems are investigated in detail, thus providing a basis for technical improvements and the development of new methods for better interpretation of the measured values of wire-mesh sensors. For this purpose, the electronic measurement principle and the real sensor geometries are first investigated with respect to inherent energy losses and channel crosstalk. Based on mixing models, a method for visualization and quantification of three-phase gas-oil-water flows even in the presence of dispersions is presented. In addition, nonlinearities of wire-mesh sensors are predicted for the first time by a hybrid model based on the finite element method, which also incorporates the real parameters of the electronic components of signal generation and measurement. This model is subsequently used to generate synthetic data and to test new correction methods. Finally, two methods are proposed to compensate for unavoidable energy losses. The first method allows inherent determination of energy losses that cannot be suppressed by further circuit optimization. The second method allows determination of the voltage drop caused by the impedance of the electrodes when measured in highly conductive liquids. Numerical and experimental analyses show an improvement in the measurement accuracy of wire-mesh sensors with respect to the average and local phase fractions. The deviations of the average phase fraction were reduced from more than 15% to less than 2% and the deviations in local measurements from more than 30% to less than 5%.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 Statement of authorship 9 Acronyms 13 Symbols 15 1. Introduction 17 2. State of the science and technology 21 3. Wire-mesh sensor and experimental test facilities 43 4. Three-phase flow measurement based on dual-modality wire-mesh sensor 53 5. Wire-mesh sensor model based on finite-element method and circuit simulation 67 6. Analysis of non-linear effects in measurements of wire-mesh sensor 79 7. Methods for improving the measurement accuracy of wire-mesh sensors 87 8. Conclusions and outlook 97 Bibliography 101 Appendices 111 A. List of scientific publications 113

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

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

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

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