We report the experimental observation of hysteresis-free negative capacitance (NC) in thin ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) films through high-speed pulsed charge-voltage measurements. Hysteretic switching is suppressed by the addition of thin Al₂O₃ layers on top of the HZO to prevent the screening of the polarization. We observe an S-shaped polarization-electric field dependence without hysteresis in agreement with Landau theory, which enables direct extraction of NC modeling parameters for ferroelectric HZO. Hysteresis-free NC is demonstrated down to 100 ns pulse widths limited only by our measurement setup. These results give critical insights into the physics of ferroelectric NC and practical NC device design using ferroelectric HZO.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

Zweiphasenströmungen sind Strömungen von heterogenen Stoffgemischen, die aus zwei verschiedenen und voneinander getrennten homogenen Materialien, den Phasen, bestehen und bei einer Vielzahl technischer Anwendungen auftreten, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie und der Energietechnik. Dort beeinflussen Zweiphasenströmungen maßgeblich die Prozesseffizienz und -sicherheit. Radiometrische Messverfahren bieten aufgrund ihrer Nicht-invasivität und dem hohen Durchdringungsvermögen die Möglichkeit, diese Strömungen zu visualisieren sowie deren Parameter zur Charakterisierung zu bestimmen. Die quantitativ hoch-genaue Parameterbestimmung kann dabei durch einige Aspekte erschwert werden, die bisher nicht durch Standardalgorithmen berücksichtigt werden können. Bei der Bestimmung von zeitgemittelten Phasenanteilen durch densitometrische und tomo-graphische Messungen kann bei geringen Zählraten die dynamische Verzerrung auftreten, die systematisch zu einer Verfälschung der zu bestimmenden Phasenanteile führt. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren des korrekten Mittelns kann die dynamische Verzerrung voll-ständig korrigiert werden. Bei der Anwendung des Verfahrens des korrekten Mittelns müssen schlecht konditionierte lineare Gleichungssysteme gelöst werden. Durch geeignete Regularisierungsverfahren lassen sich die Abweichungen vom Mittelwert bei ausreichender Zählratenstatistik beliebig stark verringern. Der Ansatz des Verfahrens des korrekten Mittelns kann bei densitometrischen Messungen von Gas-Flüssigkeits-Strömungen genutzt werden, um auf Basis der Gasgehalts-Wahrscheinlichkeitsdichte das Strömungsregime bei geringen Zähl-raten zu ermitteln. Die Röntgencomputertomographie ermöglicht die Bestimmung von räumlich und zeitlich aufgelösten Phasenverteilungen. Durch Strahlaufhärtung, Streustrahlung und geometrische Verzerrungen können die rekonstruierten Bilder Artefakte enthalten, die die Phasenanteile signifikant verfälschen. Streustrahlung und Strahlaufhärtung können beim ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographen ROFEX durch geeignete Normierungen mit Referenzmessdaten erheblich verringert werden. Weitere Reduktionen der Streustrahlungs-artefakte lassen sich durch Kollimation und einer strahlwegbasierten Vorwärtssimulation der Streustrahlung in der Bildebene erreichen. Durch äußere Einflüsse kann es beim ROFEX zu unerwünschten Ablenkungen des freien Elektronenstrahls kommen, was zu Verzerrungen in den Bildern führt. Die Korrektur kann mithilfe eines iterativen Algorithmus erfolgen, der auf Basis der Schärfe der Bilddaten den Pfad des Elektronenstrahls schätzt und somit die exakte Strahlweggeometrie für die Bildrekonstruktion ermittelt. / Two-phase flows are flows of heterogeneous material mixtures consisting of two different and separated homogeneous materials, the phases, which occur in many technical applications, such as in the chemical industry and energy technology. There, two-phase flows have a significant influence on process efficiency and safety. Due to their non-invasiveness and high penetration capability, radiometric measurement methods offer the possibility of visualizing these flows and determining their parameters for characterization. The quantitative high-precision determination of parameters is hampered by some aspects that are not taken into account by standard algorithms. When determining time-averaged phase fractions by densitometric and tomographic measurements, the dynamic bias error can occur at low count rates, which systematically leads to a falsification of the phase fractions to be determined. With the correct averaging method developed in this thesis, the dynamic bias error can be completely corrected. When applying the correct averaging method, ill-conditioned linear equation systems have to be solved. By suitable regularization methods, the deviations from the exact mean value can be reduced arbitrarily strongly with sufficient count rate statistics. The approach of the correct averaging method can be used for densitometric measurements of gas-liquid flows to determine the flow regime at low count rates on the basis of the gas fraction probability density. X-ray computed tomography enables the determination of spatially and temporally resolved phase distributions. The reconstructed images can contain artifacts due to beam hardening, scattered radiation and geometric distortions, which significantly falsify the phase fractions. In the ROFEX ultrafast electron beam X-ray computer tomography system, scattered radiation and beam hardening can be significantly reduced by suitable normalization with reference measurement data. Further reductions of scatter artifacts can be achieved by collimation and ray-tracking based forward simulation of scattered radiation in the image plane. Due to external influences around the ROFEX, undesired deflections of the free electron beam can occur, which leads to distortions in the images. The correction can be performed using an iterative algorithm that estimates the path of the electron beam based on the sharpness of the image data and thus determines the exact beam path geometry for the image reconstruction.

Insulating sheets, impregnants and encapsulation materials commonly used for winding insulation offer low thermal conductivities. This leads to an increased heating of the winding of electrical machines and to the existence of hotspots. The electromagnetical utilization of the machine has to be reduced with respect to the allowed maximum winding temperature. In this paper, the development and experimental investigation of novel polysiloxane composites with ceramic fillers are presented. The materials are tested by means of impregnated and encapsulated samples of a round-wire winding as well as the main insulation of electrical steel sheets and laminated cores. Numerical models are implemented for determining the equivalent thermal conductivity of the winding compound comprising the enameled wire and the impregnant. Based on the example of a permanent-magnet synchronous machine with outer-rotor in modular construction, the potential for increasing the electromagnetical utilization is shown.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

This study presents a method developed to achieve the roll-to-roll sintering of printed Ag patterns based on exposure to hot air, near-infrared, and mid-infrared sources. The sintering energy was quantified and evaluated based on theoretical and experimental calculations. Moreover, the effect of the sintering energy on the web tension was simultaneously considered. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The current state of wireless sensing technologies possesses a good reliability in terms of time response and sensing on movable parts or in embedded structures. Nevertheless, these tech- nologies involve energy supply such as battery and suffer from low resolution and bulky signal conditioning system for data processing. Thus, a RFID passive wireless sensor is a good candidate to overcome these issues. The feasibility of implementing microstrip patch antennas for sensing application were successfully investigated; however, low sensitivity was always a big issue to be concerned. Sensors based on nanocomposites attracted a lot of attention because of their excellent performance in term of light weight, high sensitivity, good stability and high resistance to corrosion but it lacks the capability of high conductivity, which limit their implication into RFID applications. This work introduces a novel high sensitive passive wireless strain and temperature sensors based on nanocomposites as sensing layer. To accomplish this, intrinsically conductive polymer based on carbon nanofillers nanocomposites are deeply studied and characterized. Then it’s performance is evaluated. Among them a novel tertiary nanocomposite is introduced, which opens the gate to new nanocomposite applications and thus broad- ens the application spectrum. Understanding the transport mechanism to improve the conductivity of the nanocomposite and extracting individually different models based on physical explanation of their piezoresistivity, and behavior under temperature and humidity have been developed. Afterwards, selected nanocomposites based on their high sensitivity to either strain or temperature are chosen to be used as sensing layer for patch antenna. The fabricated patch antenna has only one fundamental frequency, by determining the shift in its resonance frequency as function of the desired property to be measured; the wireless sensor characteristics are then examined. For strain sensing, the effect of strain is tested experimentally with the help of end-loaded beam measurement setup. For temperature sensing, the sensors are loaded in a controlled temperature/humid chamber and with the help of a vector network analyzer, the sensitivity of the antennas are extracted by acquiring the shift in the resonance frequency. The fabricated wireless sensors based on patch antenna are fabricated on very low lossy material to improve their gain and radiation pattern. This approach could be expanded also to include different type of substrates such as stretchable substrates i.e. elastomer polymer, very thing substrates such as Kapton, paper-based substrates or liquid crystal polymer.

Physikalische und chemische Charakterisierung von Lithiumionenzellen

Entirely soft robots with animal-like behavior and integrated artificial nervous systems will open up totally new perspectives and applications. To produce them we must integrate control and actuation in the same soft structure. Soft actuators (e.g. pneumatic, and hydraulic) exist but electronics are hard and stiff and remotely located. We present novel soft, electronicsfree dielectric elastomer oscillators, able to drive bioinspired robots. As a demonstrator we present a robot that mimics the crawling motion of the caterpillar, with integrated artificial nervous system, soft actuators and without any conventional stiff electronic parts. Supplied with an external DC voltage, the robot autonomously generates all signals necessary to drive its dielectric elastomer actuators, and translates an in-plane electromechanical oscillation into a crawling locomotion movement. Thereby, all functional and supporting parts are made of polymer materials and carbon. Besides the basic design of this first electronic-free, biomimetic robot we present prospects to control the general behavior of such robots. The absence of conventional stiff electronics and the exclusive use of polymeric materials will provide a large step towards real animal-like robots, compliant human machine interfaces and a new class of distributed, neuron-like internal control for robotic systems.

EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG: Die genaue Kenntnis über die thermische Beanspruchung einer Bremsscheibe ist für ihre funktionsgerechte Dimensionierung neben der mechanischen Belastung unabdingbar. Überdimensionierte Bremsscheiben führen zu einer größeren Fahrzeugmasse und somit erhöhten Energieverbrauch eines Straßenfahrzeugs. Etablierte Auslegungsstrategien berücksichtigen den Einfluss des Bremssattels nicht. Im Folgenden soll daher eine Möglichkeit aufgezeigt werden, die ungleichmäßige Pressung des Bremssattels in der thermischen Auslegung der Bremsscheibe zu berücksichtigen und eine genauere Temperaturverteilung in dieser zu ermitteln. Die angestrebten Erkenntnisse erlangen zunehmend Bedeutung durch die verschärfte Regulierung (Euro 7) zur Reduzierung von Bremsabrieb und den hierzu eingesetzten Werkstoffvariationen der Reibpartner. || METHODIK: Im Ersten Schritt wird eine strukturmechanische Simulation des Bremssattels durchgeführt, um die Pressungsverteilung zwischen Bremsbelag und –scheibe zu ermitteln. Diese Pressungsverteilung wird mittels nummerischer Integration und weiterer Berechnungen in eine Reibleistungsfunktion überführt. Anschließend kann mit der Reibleistungsfunktion der Wärmeeintrag in die Reibflächen der Bremsscheibe beschrieben werden und somit die thermodynamische Simulation zur Auslegung der Bremsscheibe durchgeführt werden. || ERGEBNISSE: Um die Genauigkeit der Simulation zu bewerten, wurden parallel zur Entwicklung der Methodik Versuche auf einem Schwungmassenprüfstand durchgeführt. Die von der Simulation vorhergesagte Bremsscheibentemperatur zeigt eine gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Versuchen. || EINSCHRÄNKUNGEN: Als besonders kritisch erwies sich das Finden der Wärmeübergangskoeffizienten für die Abkühlung der Bremsscheibe während der thermodynamischen Simulation. Hier können CFD-Simulationen zukünftig für eine noch bessere Modellbildung sorgen. || ZUSAMMENFASSUNG: Die vorgestellten Ergebnisse der Simulationsmethodik zur thermischen Auslegung einer Bremsscheibe zeigen gute Übereinstimmungen mit den durchgeführten Versuchen. Durch die Kopplung von strukturmechanischer und thermodynamischer Simulation über die Reibleistungsfunktion, werden vergleichsweise wenige Berechnungsressourcen für die Simulation benötigt. Weitere Validierung des Modells wird derzeit durchgeführt.