Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrachtet die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes, in seiner elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren, ohne diese dabei unzulässig zu stören. Zur Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit werden verschiedene Messumgebungen verwendet. Die Messung der strahlungsgebundenen Störfestigkeit und Störaussendung kann zum Beispiel in einer Modenverwirbelungskammer (MVK) erfolgen. Bei der Störfestigkeitsmessung wird der Prüfling einem externen Prüffeld ausgesetzt und untersucht, ob dieser die definierten Kriterien für einen störungsfreien Betrieb erfüllt. Für das Prüffeld muss vor der Messung nachgewiesen werden, dass die Anforderungen an dessen Homogenität eingehalten werden. Einen entscheidenden Einfluss auf die Homogenität des Prüffeldes hat der sogenannte Rührer. Bei einer MVK handelt es sich prinzipiell um einen Hohlraumresonator, in den ein mechanischer Rührer, d.h. ein elektrisch großer, drehbarer Streukörper integriert wird. Durch die Drehung des Rührers verändert sich die Feldverteilung in der MVK, was auch als Verwirbelung bezeichnet wird. Prinzipiell ergibt sich für jede Stellung des Rührers ein inhomogenes Feld mit lokalen Minima und Maxima. Ein Ziel bei der Verwendung von Modenverwirbelungskammern ist es, mit Hilfe geeigneter Verfahren Rührerstellungen zu finden, deren Feldverteilungen in Überlagerung ein möglichst homogenes Prüffeld erzeugen. Zum Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität Dresden gehört seit 2010 eine Modenverwirbelungskammer. Die Charakterisierung dieser MVK sowie eine weiterführende Untersuchung zur Wahl der Rührerstellungen bilden die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit. / In 2010 the Chair of Electromagnetic Theory and Compatibility of Technical University Dresden could extend its laboratories by a reverberation chamber with the dimensions 5.3 m, 3.7m and 3.0 m. Since then, a detailed characterisation of the chamber as well as further investigations have been the main emphasis of the authors research. The submitted doctoral thesis presents the obtained results. With the design, the fundamentals of operation and further characterisation of the reverberation chamber, given in Chapter 1 and 2, it aims to give an introduction and better understanding of reverberation chambers. On this basis, the authors research focused on methods for determining the independent stirrer positions in reverberations chambers. The results of the investigations are presented and summarised in chapter 3. One scope of Electromagnetic Compatibility are radiated immunity measurements. Besides the GTEM cell and the anechoic chamber the reverberation chamber gains in importance as an alternative measurement environment. A reverberation chamber is a shielded room with reflecting walls and one or more integrated mechanical stirrers. By rotating the stirrer the spatial boundary conditions for the electromagnetic field quantities are altered. The resulting change of the spatial field distribution depends on the location within the chamber and the geometry of the stirrer. Each stirrer position yields an inhomogeneous field distribution created by interfering waves. A general aim is to find a set of stirrer positions, whose superimposed field distributions create a more uniform test field. In practice, the given requirements for the homogeneity of the test field shall, with regards to an optimisation of measurement time, be realized with a minimum number of stirrer positions. In this context the term ’independent stirrer positions’ was established and describes stirrer positions, whose field distributions are linearly uncorrelated and therefore assumed to be practical for creating a more homogeneous test field using only a minimal number of stirrer positions. A general method for determining the number of independent stirrer positions in reverberation chambers is presented. The method uses a certain number of measurement positions in a defined test volume in order to characterize the spatial field distribution inside the chamber. Using the Pearson correlation coefficient the field distributions of the stirrer positions are tested for linear correlation and pairs of independent stirrer positions are determined. On this basis, cliques of pairwise independent stirrer positions are identified using appropriate algorithms. It is shown that the general method yields detailed information about the number and distribution of the independent stirrer positions and is therefore particularly suitable to evaluate other methods. Finally, the standard method according to IEC 61000-4-21 as well as selected alternative methods, that have been proposed in the past, are evaluated and compared based on the results of the general method.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation

Opportunistic Routing (OR) can be used as an alternative to the legacy routing (LR) protocols in networks with a broadcast lossy channel and possibility of overhearing the signal. The power line medium creates such an environment. OR can better exploit the channel than LR because it allows the cooperation of all nodes that receive any data. With LR, only a chain of nodes is selected for communication. Other nodes drop the received information. We investigate OR for the one-source one-destination scenario with one traffic flow. First, we evaluate the upper bound on the achievable data rate and advocate the decentralized algorithm for its calculation. This knowledge is used in the design of Basic Routing Rules (BRR). They use the link quality metric that equals the upper bound on the achievable data rate between the given node and the destination. We call it the node priority. It considers the possibility of multi-path communication and the packet loss correlation. BRR allows achieving the optimal data rate pertaining certain theoretical assumptions. The Extended BRR (BRR-E) are free of them. The major difference between BRR and BRR-E lies in the usage of Network Coding (NC) for prognosis of the feedback. In this way, the protocol overhead can be severely reduced. We also study Automatic Repeat-reQuest (ARQ) mechanism that is applicable with OR. It differs to ARQ with LR in that each sender has several sinks and none of the sinks except destination require the full recovery of the original message. Using BRR-E, ARQ and other services like network initialization and link state control, we design the Advanced Network Coding based Opportunistic Routing protocol (ANChOR). With the analytic and simulation results we demonstrate the near optimum performance of ANChOR. For the triangular topology, the achievable data rate is just 2% away from the theoretical maximum and it is up to 90% higher than it is possible to achieve with LR. Using the G.hn standard, we also show the full protocol stack simulation results (including IP/UDP and realistic channel model). In this simulation we revealed that the gain of OR to LR can be even more increased by reducing the head-of-the-line problem in ARQ. Even considering the ANChOR overhead through additional headers and feedbacks, it outperforms the original G.hn setup in data rate up to 40% and in latency up to 60%.:1 Introduction 2 1.1 Intra-flow Network Coding 6 1.2 Random Linear Network Coding (RLNC) 7 2 Performance Limits of Routing Protocols in PowerLine Communications (PLC) 13 2.1 System model 14 2.2 Channel model 14 2.3 Upper bound on the achievable data rate 16 2.4 Achieving the upper bound data rate 17 2.5 Potential gain of Opportunistic Routing Protocol (ORP) over Common Single-path Routing Protocol (CSPR) 19 2.6 Evaluation of ORP potential 19 3 Opportunistic Routing: Realizations and Challenges 24 3.1 Vertex priority and cooperation group 26 3.2 Transmission policy in idealized network 34 3.2.1 Basic Routing Rules (BRR) 36 3.3 Transmission policy in real network 40 3.3.1 Purpose of Network Coding (NC) in ORP 41 3.3.2 Extended Basic Routing Rules (BRR) (BRR-E) 43 3.4 Automatic ReQuest reply (ARQ) 50 3.4.1 Retransmission request message contents 51 3.4.2 Retransmission Request (RR) origination and forwarding 66 3.4.3 Retransmission response 67 3.5 Congestion control 68 3.5.1 Congestion control in our work 70 3.6 Network initialization 74 3.7 Formation of the cooperation groups (coalitions) 76 3.8 Advanced Network Coding based Opportunistic Routing protocol (ANChOR) header 77 3.9 Communication of protocol information 77 3.10 ANChOR simulation . .79 3.10.1 ANChOR information in real time .80 3.10.2 Selection of the coding rate 87 3.10.3 Routing Protocol Information (RPI) broadcasting frequency 89 3.10.4 RR contents 91 3.10.5 Selection of RR forwarder 92 3.10.6 ANChOR stability 92 3.11 Summary 95 4 ANChOR in the Gigabit Home Network (G.hn) Protocol 97 4.1 Compatibility with the PLC protocol stack 99 4.2 Channel and noise model 101 4.2.1 In-home scenario 102 4.2.2 Access network scenario 102 4.3 Physical layer (PHY) layer implementation 102 4.3.1 Bit Allocation Algorithm (BAA) 103 4.4 Multiple Access Control layer (MAC) layer 109 4.5 Logical Link Control layer (LLC) layer 111 4.5.1 Reference Automatic Repeat reQuest (ARQ) 111 4.5.2 Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) in ANChOR 114 4.5.3 Modeling Protocol Data Unit (PDU) erasures on LLC 116 4.6 Summary 117 5 Study of G.hn with ANChOR 119 5.1 ARQ analysis 119 5.2 Medium and PHY requirements for “good” cooperation 125 5.3 Access network scenario 128 5.4 In-home scenario 135 5.4.1 Modeling packet erasures 136 5.4.2 Linear Dependence Ratio (LDR) 139 5.4.3 Worst case scenario 143 5.4.4 Analysis of in-home topologies 145 6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . 154 A Proof of the neccessity of the exclusion rule 160 B Gain of ORPs to CSRPs 163 C Broadcasting rule 165 D Proof of optimality of BRR for triangular topology 167 E Reducing the retransmission probability 168 F Calculation of Expected Average number of transmissions (EAX) for topologies with bi-directional links 170 G Feedback overhead of full coding matrices 174 H Block diagram of G.hn physical layer in ns-3 model 175 I PER to BER mapping 177

Since its invention, cellular communication has dramatically transformed personal lifes and the evolution of mobile networks is still ongoing. Evergrowing demand for higher data rates has driven development of 3G and 4G systems, but foreseen 5G requirements also address diverse characteristics such as low latency or massive connectivity. It is speculated that the 4G plain cyclic prefix (CP)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) cannot sufficiently fulfill all requirements and hence alternative waveforms have been in-vestigated, where generalized frequency division multiplexing (GFDM) is one popular option. An important aspect for any modern wireless communication system is the application of multi-antenna, i.e. MIMO techiques, as MIMO can deliver gains in terms of capacity, reliability and connectivity. Due to its channel-independent orthogonality, CP-OFDM straightforwardly supports broadband MIMO techniques, as the resulting inter-antenna interference (IAI) can readily be resolved. In this regard, CP-OFDM is unique among multicarrier waveforms. Other waveforms suffer from additional inter-carrier interference (ICI), inter-symbol interference (ISI) or both. This possibly 3-dimensional interference renders an optimal MIMO detection much more complex. In this thesis, weinvestigate how GFDM can support an efficient multiple-input multiple-output (MIMO) operation given its 3-dimensional interference structure. To this end, we first connect the mathematical theory of time-frequency analysis (TFA) with multicarrier waveforms in general, leading to theoretical insights into GFDM. Second, we show that the detection problem can be seen as a detection problem on a large, banded linear model under Gaussian noise. Basing on this observation, we propose methods for applying both space-time code (STC) and spatial multiplexing techniques to GFDM. Subsequently, we propose methods to decode the transmitted signals and numerically and theoretically analyze their performance in terms of complexiy and achieved frame error rate (FER). After showing that GFDM modulation and linear demodulation is a direct application of Gabor expansion and transform, we apply results from TFA to explain singularities of the modulation matrix and derive low-complexity expressions for receiver filters. We derive two linear detection algorithms for STC encoded GFDM signals and we show that their performance is equal to OFDM. In the case of spatial multiplexing, we derive both non-iterative and iterative detection algorithms which base on successive interference cancellation (SIC) and minimum mean squared error (MMSE)-parallel interference cancellation (PIC) detection, respectively. By analyzing the error propagation of the SIC algorithm, we explain its significantly inferior performance compared to OFDM. Using feedback information from the channel decoder, we can eventually show that near-optimal GFDM detection can outperform an optimal OFDM detector by up to 3dB for high SNR regions. We conclude that GFDM, given the obtained results, is not a general-purpose replacement for CP-OFDM, due to higher complexity and varying performance. Instead, we can propose GFDM for scenarios with strong frequency-selectivity and stringent spectral and FER requirements.

This work presents a spin torque nano-oscillator (STNO) based binary frequency shift keying (BFSK) modulation schema implemented on a printed circuit board (PCB). Maximal input data rate reaches 20 Mbit/s. Depending on the STNO used, carrier frequency can range from 1 to 10 GHz. Both DC and AC currents flowing through the STNO can be tuned between 0 to 4 mA. Using one magnetic tunnel junction (MTJ) STNO, a 380 MHz frequency shift around the center frequency 9 GHz was observed, when the modulated current was toggled between 0.8 mA and 1.2 mA at a rate of 20 Mbit/s. This is the first work demonstrating that the STNOs are applicable for BFSK modulation on the wireless application level.

Das neuartige Fluss-Bypass-Verfahren ist ein sensorloses Messsystem für magnetisch gelagerte Antriebe. Durch Integration eines zusätzlichen nichtlinearen Flusspfad gelingt eine teilweise Kompensation des Sättigungseinflusses, der sonst bei hohen Flüssen zu verschwindender Messempfindlichkeit führen kann. Durch die transformatorische Signalübertragung mittels Hilfswicklungen werden ein hoher Signal-Rauschabstand bei hoher Messbandbreite erreicht.

The combination of strain engineering, lithography, thin film deposition and etching techniques is an elegant approach to create single microtubes and well-defined arrays of magnetic microtubes. In this work we have successfully shown that strain engineering techniques developed for rolled-up nanomembranes can be applied to magnetic materials and material combinations. To obtain sufficiently strained nanomembranes, different substrates and sacrificial layers in combination with the magnetic layers were used. Careful tuning of the etching parameters ensured a controlled roll-up process without damage or oxidation of the magnetic layer. Additionally, rolled-up nanomembranes were further integrated in a highly parallel fashion on chip, by development and application of multi-step fabrication procedures. Based on the prepared rolled-up magnetic structures and their planar counterparts we have performed a comprehensive study of their magnetic properties, mainly under the influence of magnetic field, strain and temperature. The role of the special cylindrical or curved geometry and their impact on the magnetic properties was outlined and explained based on our understanding. Moreover, the magnetic properties were also discussed in relationship to other influencing material parameters, e.g. composition, crystallographic structure, and surface effects. The first experimental magnetization study on rolled-up InGaAs/Fe3Si heterostructures was presented. It was demonstrated for tube arrays that the change in the geometry from a planar film to the cylindrical shape has a significant effect on the magnetization behavior. A deeper study provided insight into the magnetic switching behavior of single tubes and arrays. Rolled-up Au/Co/Au tubes and showed that in addition to shape anisotropy, magnetostrictive anisotropy due to the anisotropic stress release can inverse the magnetization direction. Exchange coupling at ferromagnetic/antiferromagnetic interfaces due to partial oxidation of Co was observed at low temperatures. The results suggest possibilities to tune magnetic properties by controlling the tube dimensions and careful control of thin film growth parameters. The cylindrical shape, the layer thickness the number of rotations and the type of magnetic material are proven to have a strong influence on the magnetic domain patterns and magnetization behavior. Therefore, Ni/Fe tubes have been studied by means of magneto optical Kerr effect. It was found that the magnetization reversal in rolled-up tubes with 1.2 and 2.5 windings occurs via nucleation and propagation of magnetic domain walls. On the other hand, we have demonstrated for rolled-up Au/Co tubes that a certain magnetic layer thickness is required to observe magnetic stripe domains. In another experiment performed with magnetic force microscopy, rolled-up Co/Pt nanomembranes with magnetic domains radially aligned due to perpendicular anisotropy, which behaves as radially polarized cylindrical magnets, were achieved. Moreover, we have demonstrated an elegant approach to create compact MR devices based on rolled-up Co/Cu-ML nanomembranes. We have shown the magnetization behavior and the MR magnitude in comparison to the corresponding planar structures. The influence of number of Co/Cu bilayers, non-magnetic spacer layer, interface roughness and multiple windings on MR was discussed. Our fabrication method can be applied to the most common magnetic materials. Certainly, further optimization of MR towards application as magnetic sensor or magneto-fluidic sensors can be achieved by change of Co/Cu-layer thickness, increase of rolling length and reduced spacer layer thickness. Finally, we have shown a fabrication route to realize freestanding tubes based on Ni-Mn-Ga alloys grown by molecular beam epitaxy on GaAs substrates. The evolution of structural and magnetic properties induced by roll-up was investigated in detail and showed a pronounced influence of crystallographic orientation and strain state of the Ni-Mn-Ga alloys. These insights are fundamental in order to realize thin nanomembranes and freestanding three-dimensional FSMA structures with defined composition for smart applications as compact actuators and microsensors. Consequently, rolled-up magnetic nanomembranes offer a great chance in reducing the size of electronic components and can bring several functionalities to the device. These facts make rolled-up tubes highly attractive for the detection, stimulation and manipulation of small objects, such as ions, molecules, cells and particles. It is expected in the future, that magnetic lab-in-a-tube systems will further account in analysis of microfluidic systems. On the other hand, rolled-up structures significantly contribute to the field of shapeable magnetoelectronics.

Diese Veröffentlichung beschreibt die Vorgehensweise bei der Messung und Berechnung elektrischer Leistungen im Allgemeinen und bei der Verlustbestimmung an elektrischen Antrieben im speziellen.

In this paper we present an approach to the analysis of the contribution of a small subregion in a dataset to the global flow. To this purpose, we subtract the potential flow that is induced by the boundary of the sub-domain from the original flow. Since the potential flow is free of both divergence and rotation, the localized flow field retains the original features. In contrast to similar approaches, by making explicit use of the boundary flow of the subregion, we manage to isolate the region-specific flow that contains exactly the local contribution of the considered subdomain to the global flow. In the remainder of the paper, we describe an implementation on unstructured grids in both two and three dimensions. We discuss the application of several widely used feature extraction methods on the localized flow, with an emphasis on topological schemes.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den wesentlichen Aspekten der Hochrateabscheidung von amorphen (a-Si:H) und mikrokristallinen (μc-Si:H) Silizium-Schichten und Solarzellen. Die neuartige plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung unter Anwendung von den sehr hohen Anregungsfrequenzen bis 140 MHz (VHF-PECVD) wurde demonstriert. Die durchgeführten Untersuchungen befassten sich hauptsächlich mit der Anpassung der Anlagentechnik für den VHF Bereich und der Entwicklung des hochproduktiven Herstellungsverfahrens ohne Einbußen bei den Schichteigenschaften und dem Solarzellenwirkungsgrad. Durch Frequenzerhöhung bis 140 MHz wurde eine Steigerung der i-Schicht-Abscheiderate von 70 % sowohl für a-Si:H als auch für μc-Si:H realisiert. Die Weiteroptimierung des Solarzellenaufbaus zeigt die hervorragende Eignung des Herstellungsprozesses für die Abscheidung von hocheffizienten Solarzellen (ca. 10,7 % für a-Si:H- und 9,5 % für μc-Si:H-Zellen). Der neuartige VHF-PECVD-Prozess wurde außerdem für die Abscheidung von den Passivierungsschichten für die Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (HIT) getestet. Die Arbeit im VHF-Bereich ermöglicht einen Einsatz von hohen Depositionsraten bis 1 nm/s ohne Einbußen bei den Passivierungseigenschaften (2 ms Lebensdauer) im Vergleich zum 13,56-MHz-Prozess (0,5 ms Lebensdauer). Zuletzt wurde eine Analyse der Zusammenhänge zwischen Anregungsfrequenz, Plasmaleistung, Ionenenergie, Ioneneindringtiefe und Defektbildung in den intrinsischen Dünnschichtsiliziumschichten durchgeführt.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133 / The following thesis deals with the main aspects of the high-rate deposition of amorphous (a-Si:H) and microcrystalline (μc-Si:H) silicon layers and solar cells. The very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition technique with excitation frequencies up to 140 MHz (VHF-PECVD) has been introduced. These study deals mainly with the adaptation of the deposition system for the VHF-range and the development of the highly productive manufacturing process without deterioration of the layer properties and the solar cell efficiency. An increase of the excitation frequency up to 140 MHz ensured a 70 % enhancement of the a-Si:H and μc-Si:H deposition rate. A further optimization of the solar cells shows the excellent suitability of these manufacturing process for the deposition of the highly efficient solar cells (about 10.7% for a-Si:H and 9.5% for μc-Si:H cells). The novel VHF-PECVD process has also been analyzed for the deposition of the passivation layers for the silicon heterojunction solar cells (HIT). Working in the VHF-range allows the use of very high deposition rates up to 1 nm/s, without deterioration of the passivation properties (2 ms lifetime) compared to the 13.56 MHz process (0.5 ms lifetime). Finally, an analysis of the correlations between excitation frequency, plasma power, ion energy, ion penetration depth and defect formation in the intrinsic thin film silicon layers was performed.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133