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.

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

Medicine is constantly developing and in order to (early) diagnose common diseases, such as cancer, Parkinson's or Alzheimer's, a liquid biopsy-based approach is of increasing relevance. Samples are complex body fluids, especially blood, whereby a separation of the cells, particles and molecules of interest is often necessary for a subsequent analysis. Conventional methods such as centrifugation, the gold standard of many sample preparations, are reaching their limits in terms of gentle cell separation, purity and automatability. At the same time, the volumes of biological samples required for analysis are decreasing and point-of-care solutions are becoming increasingly important. New technologies for sample preparation are therefore urgently needed to meet this demand. Surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic systems have already shown promising results in the handling of biological samples, but there is still a lack in the ability to transfer laboratory set-ups into a real-world environment. In this work, an industrially feasible manufacturing technology for SAW-based microfluidic chips that can be used for separation of blood plasma was developed. For this purpose, polymeric microchannels were integrated directly on the piezoelectric substrate together with the interdigital transducers required for SAW excitation. This was done reproducibly on the wafer-level with established lithographic methods, but a relatively young material system, i.e. dry film resists, allowing an industrial scale-up of the acoustofluidic chips. Furthermore, the chip layout was designed robustly to ensure a stable and continuous separation process and the “lab-around-the-chip” was further developed into an easy-to-use system. Moreover, blood plasma separation at high flow rates of up to 50 μL/min for a 1:5 diluted sample and a throughput of 888,000 cells/s in the SAW-based microfluidic chip was demonstrated. In comparison to microfluidic alternatives, high cell separation purity was achieved with special focus on the use of analytical methods for the detection of low cell concentrations in blood plasma. Direct comparison to centrifugation further indicated a gentler separation method for the cells and more reproducible results. The SAW-based microfluidic system developed in this work offers great potential for future application in liquid biopsy.

Analysis and design of millimeter-wave integrated circuits for emerging communication/sensing and cryogenic applications with an emphasis on transistor model verification.

Organic phototransistors (OPTs) can enable essential applications, such as nonvolatile memory, artificial synapses, and photosensors in next-generation optical communication and wearable electronics. Among these applications, nonvolatile OPT memories are particularly promising, as they can retain captured visual information for extended periods, making them valuable for data storage, image and video processing applications. The capability of storing multi-bit information, which provides a low-cost way to increase the memory density per unit cell area, is one of the most critical challenges of memory products. In this work, we explore different solution-processible electrets to obtain highly sensitive phototransistor memory devices. Different planar heterojunctions, including small molecule/small molecule and small molecule/polymer, are used to fabricate OPT memories. Additionally, we explore the feasibility of producing polymer/polymer planar heterojunctions through printing processes. Firstly, OPT memories that can be programmed with white light and erased by applying a negative voltage are fabricated with a planar heterojunction of a nonconductive nanographene layer and a semiconducting layer of 2,9-didecyldinaphtho[2,3-b:2’,3’-f]thieno[3,2-b]thiophene (C10-DNTT). We systematically study the optical and memory characteristics of devices with an 8 nm nanographene (NG) layer. The photosensitivity of such devices can be as high as 3.4×105. The memory also shows quite good endurance and data-storing stability; an endurance of 100 write-read-erase-read (WRER) cycles and 1.5×105 s retention time are obtained. The thickness of the NG layer has a considerable influence on the performance of fabricated devices. The results suggest that devices with a thicker NG layer are more sensitive to weak light. In comparison, devices with a relatively thin NG layer are found to be promising for multi-bit photo memory devices. Secondly, we fabricate OPT memories by replacing the nanographene layer with a commercially available semiconducting polymer, namely Poly(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-di(pyridin-2-yl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione-alt-2,2’-bithiophene) (PDBPyBT). This polymer possesses a narrow bandgap and exhibits a broad range of light absorption, spanning from ultraviolet (UV) to red light wavelengths. As a result, the fabricated devices are capable of responding to a broad spectrum of light colors. The light response of these devices is investigated in terms of their reaction to different colors of light. Also, devices with varying thicknesses of the PDBPyBT layer are fabricated and studied. The results indicate that all of the fabricated devices demonstrate multi-bit programming properties, and the devices incorporating a thin, ribbon-structured PDBPyBT layer are particularly well-suited for applications as light dosimeters. Moreover, the results highlight that both the C10-DNTT and the PDBPyBT layer function as photo exciton generation and charge-trapping layers. Last, we seek to fabricate cost-effective organic multilayer devices through a solution-processing approach, eliminating the need for orthogonal solvents. We observe a crosslinking effect in the thin films caused by thermal annealing without using any crosslinker. Remarkably, this effect is found to be universal for several commercial semiconducting polymers investigated in our study. Following annealing at 200 ºC or higher temperatures, the thin films exhibit enhanced stability against the original solvent. Various analytical techniques are employed to examine the thin films to gain insights into the microstructural changes. Our results suggest that the observed crosslinking effect is predominantly attributed to a physical transformation, whereby the films became more crystalline after annealing at relatively high temperatures. To further explore the feasibility of fabricating multilayer devices, we simulate the construction of multilayer devices by top-gate-bottom-contact (TGBC) devices using the same solvent for the polymer dielectric layer and the semiconducting layer. We also fabricated planar polymer/polymer heterojunction via this method. Encouragingly, this approach demonstrated that thermal annealing could work as a straightforward and promising method for producing cost-effective organic multilayer devices, e.g., fully solution-processed diodes, functional transistors, and solar cells.:Abstract iii Contents vii 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Organic semiconductor 2 1.2.1 Atom orbitals and molecular orbitals 2 1.2.2 Energy levels in solid 5 1.2.3 Fermi level 6 1.2.4 Band bending 7 1.2.5 From orbital to states 8 1.2.6 Organic semiconductor materials 9 1.2.7 Nanographene 10 1.2.8 Charge carrier transport in organic semiconductors 11 1.3 Organic field-effect transistors (OFET) 11 1.3.1 OFET architectures 12 1.3.2 OFET operation principle 12 1.3.3 OFET performance parameters 14 1.3.4 OFET memory 17 1.4 Optical electronics 20 1.4.1 Exciton pair generation. 20 1.4.2 Photoelectronic devices 21 1.4.3 Phototransistor devices 22 1.5 Phototransistor memories 23 1.5.1 Working mechanism of phototransistor memories 23 1.5.2 Phototransistor memory architecture 24 1.5.3 State-of-the-art organic phototransistor memory 25 1.6 Objective and outline 27 2 Materials and methods 29 2.1 Materials 29 2.2 Device fabrication 30 2.2.1 Substrate cleaning 30 2.2.2 Solution shearing 30 2.2.3 Thermal vapor deposition 31 2.3 Characterization 31 2.3.1 Thin film characterization 31 2.3.2 Current voltage characteristics 35 2.3.3 Capacitance 36 3 C10-DNTT/NG planar heterojunction phototransistor memories 37 3.1 Introduction 37 3.2 Thin films 39 3.2.1 Film and device fabrication 39 3.2.2 Characterization of thin films 39 3.3 Transfer characteristics under light 41 3.3.1 Writing process 41 3.3.2 Erasing process 48 3.3.3 C10-DNTT-only devices 51 3.4 Summary of working principle 52 3.5 Output characteristics and evaluation of the optical properties 52 3.6 Memory properties of NG-based OPT memory devices 55 3.7 Devices with different NG thicknesses 56 3.7.1 The impact of NG thickness 56 3.7.2 Devices fabricated from 0.05 mg ml-1 NG solution 60 3.8 Conclusion 64 4 C10-DNTT/PDBPyBT heterojunction phototransistor memories 67 4.1 Introduction 67 4.2 Device Architecture 68 4.3 Physical characterization of PDBPyBT and C10-DNTT thin films 69 4.4 Performance of devices with a thick PDBPyBT layer 72 4.4.1 Erasing and programming process 72 4.4.2 Response to different colors of light 78 4.5 Variation of PDBPyBT thickness 80 4.5.1 Transfer characteristics 80 4.5.2 Morphology of C10-DNTT 85 4.5.3 Output characteristics 86 4.5.4 Multi-level programming test 86 4.6 Comparison of the devices 92 4.7 Summary 93 5 Organic multilayer devices fabricated via thermal annealing 95 5.1 Introduction 95 5.2 Film Fabrication 97 5.3 Study on thin films 97 5.3.1 Thickness changes 97 5.3.2 Characterization of the thin films 99 5.3.3 Impact of re-annealing 107 5.3.4 Other semiconducting polymers 108 5.4 Discussion of the working mechanism 110 5.5 Impact of thermal annealing on devices’ performance 111 5.5.1 BGTC devices fabrication 111 5.5.2 TGBC devices fabrication 113 5.6 Planar heterojunction devices via solution processing 116 5.7 Conclusion 117 6 Conclusions and outlook 119 6.1 Conclusions 119 6.2 Outlook 120 Bibliography 123 List of Figures 143 List of Tables 155 List of abbreviations 157 Appendix A 159 Appendix B 165 B1.1 Introduction 165 B1.2 Devices with a 7 nm shear coated Al2O3 dielectric 166 B1.2.1 Normal-sized channel devices 166 B1.2.2 Ultra-wide channel devices 167 B1.3 Devices with a 30 nm ALD Al2O3 dielectric 169 B1.3.1 Normal-sized channel devices 169 B1.3.2 Ultra-wide channel devices 170 B1.4 Ferroelectric organic phototransistor devices 172 B1.4.1 Dielectric layer 172 B1.4.2 Devices with 10 nm HZO 173 B1.4.3 Devices with 30 nm HZO 175 Conclusion 176 Publications 177 Acknowledgment 179

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.