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Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung einer interaktiven Visualisierung von EEG-Daten und deren Quellen in Kombination mit Nervenfaserbündeldaten. Dazu soll als Softwaregrundlage das derzeit in Entwicklung befindliche OpenWalnut genutzt werden. Dabei handelt es sich um einen Softwarerahmen zur medizinischen Visualisierung mit Schwerpunkt auf die interaktive Darstellung von Gehirndaten. Die Darstellung und Selektion von Nervenfaserbündeln wurde darin bereits implementiert. Damit bietet es sich an, dieses System als Grundlage zu nehmen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.

Hintergrund: Organische Störungen des Schluckvorganges treten im Rahmen peripherer anatomischer Läsionen sowie im Rahmen neurologischer und neuromuskulärer Grunderkrankungen auf. Dabei wird die Pathologie der oropharyngealen Phase des Schluckvorganges bisher nur unzureichend objektiv erfasst. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, mit oraler Manometrie und simultan durchgeführter flexibler Nasopharyngoskopie ein verbessertes multimodales diagnostisches Konzept vorzustellen. Patienten und Methode: Untersucht wurden 24 konsekutive Patienten (44-82 Jahre; 20m/4w) aus der Abteilung für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universitätsmedizin Göttingen. Alle Patienten wiesen einen Tumor im orofazialen Bereich auf. 30 kombiniert manometrisch-endoskopische Untersuchungen in der prä- und postoperativen Phase wurden durchgeführt. Die orale Manometrie erfolgte während der intraoralen Bolusapplikation mit kontinuierlicher Druckmessung über ein zu diagnostischen Zwecken umgerüstetes Silencos-Mundstück in Kombination mit einem Manometer. Die nasopharyngeale Endoskopie erfolgte parallel mit dem flexiblem Laryngo-Fiberskop und angeschlossener Videokette. Alle Patienten wurden klinisch untersucht und erhielten einen Fragebogen zur Selbsteinschätzung der Schluckfunktion. Das Untersuchungsprotokoll bestand aus drei Phasen mit aktivem Ansaugen eines Wasserbolus durch den Patienten (AWB) sowie der intraoralen Applikation eines Wasserbolus (PWB) und eines Breibolus (PBB) durch den Untersucher. Es wurden jeweils 10 Wiederholungen für den Saugvorgang und jeweils 5 für die passive Applikation aufgezeichnet. Die nasopharyngeale Endoskopie erfolgte aus einer supravelaren Position für die ersten 5 Versuche und aus einer mesopharyngealen Position für alle weiteren Bolusapplikationen. Auswertung: Die Resultate wurden nach der Defektsituation der Patienten aufgeschlüsselt. Mehrfachuntersuchungen waren möglich. Maßgeblich ist das Fehlen von funktionell relevantem Gewebe. Als Defektsituationen wurden definiert: D0 ohne, D1-D5 mit Operationsdefekt. Defektsituation im anterioren oralen Bereich durch T1-/T2-Tumoren: D1, durch T3-/T4-Tumoren: D2; im posterioren oralen Bereich durch T1-/T2-Tumoren: D3, durch T3-/T4-Tumoren: D4; sonstige: D5. Ergebnisse: Manometrie. In der Phase AWB ergaben sich signifikante Unterschiede im Paarvergleich von D0 mit D1-D5 für alle untersuchten Parameter, das heißt Häufigkeit des Auftretens mono- bzw. polyphasischer Schluckmuster (Anzahl der negativen (p<0,01) und positiven (p=0,02) Amplituden), maximaler (p=0,04) und mittlerer (p=0,04) Saugdruck. Für D0 ergab sich ein maximaler Saugdruck von 83,9 mbar und ein mittlerer von 62,7 mbar. Für D1-D5 ergab sich ein maximaler Saugdruck von 51,0 mbar und eine mittlerer von 28,8 mbar. In der Phase PWB wurden keine, in der Phase PBB wurde nur ein signifikanter Unterschied (p=0,03) beim Vergleich von D0 mit D1-D5 in der Anzahl der positiven Amplituden gefunden. Defektklassenbezogen zeigte D2 im Vergleich zu D0 eine geringe und unregelmäßige Druckgeneration, die orale Saug- und Schluckfunktion von D3 war meist deutlich schlechter als die von D4. D5 zeigte mittlere Resultate. Endoskopie. Es wurde ein physiologisches pharyngeales Schluckvermögen bei D0 beobachtet. Passagestörungen des Meso- und Hypopharynx zeigten die anderen Defektklassen. In den Phasen AWB und PWB gab es im Vergleich von D0 mit D1-D5 signifikante Unterschiede (p=0,02 und p<0,01). In allen drei Phasen war bei den Patienten mit D2 und D4 die pharyngeale Schluckfunktion schlechter als bei D1 und D3. Die zwei Patienten in D5 hatten mit Rezidiv im Velumbereich die schlechteste pharyngeale Schluckfunktion. Die Selbsteinschätzung durch die Patienten war nicht aussagekräftig. Schlussfolgerungen: Die manometrisch-endoskopische Untersuchung liefert diagnostisch nutzbare Informationen der oralen und pharyngealen Schluckphasen bei Tumorpatienten. Manometrisch lässt sich die Amplitudenhöhe beim Wassersaugen zur graduierten Differenzierung von Patienten mit und ohne Defekt nutzen; der Breibolus ergibt kaum Unterschiede. Das Schluckmuster in Form von mono- bzw. polyphasischen Druckverläufen ermöglicht die klinische Diagnostik von muskulären Dyskoordinationen und Kompensationsstrategien. Endoskopisch ist die dichotome Bewertung der nasalen Regurgitation, posterioren Leckage, Residuen, Penetration und Aspiration aussagekräftig; nur bei Tumoren des anterioren Mundbodens besteht meistens eine Korrelation mit den manometrischen Ergebnissen, jedoch nicht bei allen Patienten. Eine kombinierte Anwendung der Methoden ist daher zu empfehlen.

The trace metals and pesticides are commonly found in surface water receiving industrial and agricultural effluents. However, the potential negative effects of these compounds on aquatic ecosystems have not been deeply studied. Hence, the aim of this study is to assess the single and combined effects of aluminum (Al) and atrazine on the development and growth rate of duckweed, Lemna minor L. The single exposures were implemented with either Al or atrazine at the concentration of 5, 50 and 500 μg L-1 and a binary exposure was conducted with 50 μg L-1 of Al and 5 μg L-1 of atrazine for two weeks. The results revealed that both Al and atrazine at the concentration of 500 μg L-1 strongly inhibited the development and growth rate of the duckweed. On the contrary, the mixture of Al and atrazine showed antagonistic effects on the plant. To our knowledge, this is the first report on the combined effects of these two contaminants on the duckweed. Therefore, our results could be useful for environmental managers in setting up and adjusting the safe guideline values in Vietnam for Al and atrazine in natural waters in term of ecological health protection. / Kim loại nặng và thuốc trừ sâu thường được tìm thấy trong các nguồn nước mặt, nơi tiếp nhận nước thải công nghiệp và nông nghiệp. Tuy nhiên, những ảnh hưởng tiềm tàng mang tính tiêu cực của những hợp chất này đối với hệ sinh thái thủy vực chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này nhằm đánh giá những ảnh hưởng riêng lẻ và kết hợp của nhôm (Al) và atrazine lên sự phát triển và tốc độ sinh trưởng của bèo tấm, Lemma minor L. Sự phơi nhiễm riêng lẻ với Al hoặc atrazine được thực hiện ở các nồng độ 5, 50 và 500 μg L-1, trong khi đó, quá trình phơi nhiễm kết hợp được tiến hành với Al tại nồng độ 50 μg L-1 và atrazine tại nồng độ 5 μg L-1 trong hai tuần. Kết quả cho thấy cả Al và atrazine ở nồng độ phơi nhiễm 500 μg L-1 kìm hãm mạnh mẽ sự phát triển và tốc độ sinh trưởng của bèo tấm. Ngược lại, sự kết hợp Al và atrazine dẫn kết tác động triệt tiêu trên bèo tấm. Theo sự hiểu biết của chúng tôi, đây là ghi nhận đầu tiên về những ảnh hưởng kết hợp của hai chất gây ô nhiễm này lên bèo tấm. Vì vậy, những kết quả này có thể hữu ích cho các nhà quản lý môi trường tại Việt Nam trong việc thiết lập và điều chỉnh các giá trị an toàn đối với Al và Atrazie trong môi trường nước tự nhiên về khía cạnh bảo vệ sức khỏe sinh thái.

Die Länge der Vegetationsperiode (VP) spielt eine zentrale Rolle für die interannuelle Variation der Kohlenstoffspeicherung terrestrischer Ökosysteme. Die Analyse von Beobachtungsdaten hat gezeigt, dass sich die VP in den letzten Jahrzehnten in den nördlichen Breiten verlängert hat. Dieses Phänomen wurde oft im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung diskutiert, da die Phänologie von der Temperatur beeinflusst wird.<br /> <br /> Die Analyse der Pflanzenphänologie in Süddeutschland im 20. Jahrhundert zeigte:<br /> - Die starke Verfrühung der Frühjahrsphasen in dem Jahrzehnt vor 1999 war kein singuläres Ereignis im 20. Jahrhundert. Schon in früheren Dekaden gab es ähnliche Trends. Es konnten Perioden mit unterschiedlichem Trendverhalten identifiziert werden.<br /> - Es gab deutliche Unterschiede in den Trends von frühen und späten Frühjahrsphasen. Die frühen Frühjahrsphasen haben sich stetig verfrüht, mit deutlicher Verfrühung zwischen 1931 und 1948, moderater Verfrühung zwischen 1948 und 1984 und starker Verfrühung zwischen 1984 und 1999. Die späten Frühjahrsphasen hingegen, wechselten ihr Trendverhalten in diesen Perioden von einer Verfrühung zu einer deutlichen Verspätung wieder zu einer starken Verfrühung.<br /> <br /> Dieser Unterschied in der Trendentwicklung zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte auch für ganz Deutschland in den Perioden 1951 bis 1984 und 1984 bis 1999 beobachtet werden.<br /> Der bestimmende Einfluss der Temperatur auf die Frühjahrsphasen und ihr modifizierender Einfluss auf die Herbstphasen konnte bestätigt werden. Es zeigt sich jedoch, dass <br /> - die Phänologie bestimmende Funktionen der Temperatur nicht mit einem globalen jährlichen CO2 Signal korreliert waren, welches als Index für die globale Erwärmung verwendet wurde<br /> - ein Index für grossräumige regionale Zirkulationsmuster (NAO-Index) nur zu einem kleinen Teil die beobachtete phänologischen Variabilität erklären konnte.<br /> <br /> Das beobachtete unterschiedliche Trendverhalten zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte auf die unterschiedliche Entwicklung von März- und Apriltemperaturen zurückgeführt werden. Während sich die Märztemperaturen im Laufe des 20. Jahrhunderts mit einer zunehmenden Variabilität in den letzten 50 Jahren stetig erhöht haben, haben sich die Apriltemperaturen zwischen dem Ende der 1940er und Mitte der 1980er merklich abgekühlt und dann wieder deutlich erwärmt.<br /> Es wurde geschlussfolgert, dass die Verfrühungen in der Frühjahrsphänologie in den letzten Dekaden Teile multi-dekadischer Fluktuationen sind, welche sich nach Spezies und relevanter saisonaler Temperatur unterscheiden. Aufgrund dieser Fluktuationen konnte kein Zusammenhang mit einem globalen Erwärmungsignal gefunden werden.<br /> Im Durchschnitt haben sich alle betrachteten Frühjahrsphasen zwischen 1951 und 1999 in Naturräumen in Deutschland zwischen 5 und 20 Tagen verfrüht. Ein starker Unterschied in der Verfrühung zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen liegt an deren erwähntem unterschiedlichen Verhalten. Die Blattverfärbung hat sich zwischen 1951 und 1999 für alle Spezies verspätet, aber nach 1984 im Durchschnitt verfrüht. Die VP hat sich in Deutschland zwischen 1951 und 1999 um ca. 10 Tage verlängert.<br /> Es ist hauptsächlich die Änderung in den Frühjahrphasen, die zu einer Änderung in der potentiell absorbierten Strahlung (PAS) führt. Darüber hinaus sind es die späten Frühjahrsphasen, die pro Tag Verfrühung stärker profitieren, da die zusätzlichen Tage länger undwärmer sind als dies für die frühen Phasen der Fall ist. Um die relative Änderung in PAS im Vergleich der Spezies abzuschätzen, müssen allerdings auch die Veränderungen in den Herbstphasen berücksichtigt werden.<br /> Der deutliche Unterschied zwischen frühen und späten Frühjahrsphasen konnte durch die Anwendung einer neuen Methode zur Konstruktion von Zeitreihen herausgearbeitet werden. Der neue methodische Ansatz erlaubte die Ableitung verlässlicher 100-jähriger Zeitreihen und die Konstruktion von lokalen kombinierten Zeitreihen, welche die Datenverfügbarkeit für die Modellentwicklung erhöhten.<br /> Ausser analysierten Protokollierungsfehlern wurden mikroklimatische, genetische und Beobachtereinflüsse als Quellen von Unsicherheit in phänologischen Daten identifiziert. Phänologischen Beobachtungen eines Ortes können schätzungsweise 24 Tage um das parametrische Mittel schwanken.Dies unterstützt die 30-Tage Regel für die Detektion von Ausreissern.<br /> Neue Phänologiemodelle, die den Blattaustrieb aus täglichen Temperaturreihen simulieren, wurden entwickelt. Diese Modelle basieren auf einfachen Interaktionen zwischen aktivierenden und hemmenden Substanzen, welche die Entwicklungsstadien einer Pflanze bestimmen. Im Allgemeinen konnten die neuen Modelle die Beobachtungsdaten besser simulieren als die klassischen Modelle.<br /> <br /> Weitere Hauptresultate waren:<br /> - Der Bias der klassischen Modelle, d.h. Überschätzung von frühen und Unterschätzung von späten Beobachtungen, konnte reduziert, aber nicht vollständig eliminiert werden.<br /> - Die besten Modellvarianten für verschiedene Spezies wiesen darauf hin, dass für die späten Frühjahrsphasen die Tageslänge eine wichtigere Rolle spielt als für die frühen Phasen.<br /> - Die Vernalisation spielte gegenüber den Temperaturen kurz vor dem Blattaustrieb nur eine untergeordnete Rolle. / The length of the vegetation period (VP) plays a central role for the interannual variation of carbon fixation of terrestrial ecosystems. Observational data analysis has indicated that the length of the VP has increased in the last decades in the northern latitudes mainly due to an advancement of bud burst (BB). This phenomenon has been widely discussed in the context of Global Warming because phenology is correlated to temperatures. <br /> <br /> Analyzing the patterns of spring phenology over the last century in Southern Germany provided two main findings:<br /> - The strong advancement of spring phases especially in the decade before 1999 is not a singular event in the course of the 20th century. Similar trends were also observed in earlier decades. Distinct periods of varying trend behavior for important spring phases could be distinguished.<br /> - Marked differences in trend behavior between the early and late spring phases were detected. Early spring phases changed as regards the magnitude of their negative trends from strong negative trends between 1931 and 1948 to moderate negative trends between 1948 and 1984 and back to strong negative trends between 1984 and 1999. Late spring phases showed a different behavior. Negative trends between 1931 and 1948 are followed by marked positive trends between 1948 and 1984 and then strong negative trends between 1984 and 1999.<br /> This marked difference in trend development between early and late spring phases was also found all over Germany for the two periods 1951 to 1984 and 1984 to 1999.<br /> <br /> The dominating influence of temperature on spring phenology and its modifying effect on autumn phenology was confirmed in this thesis. However,<br /> - temperature functions determining spring phenology were not significantly correlated with a global annual CO2 signal which was taken as a proxy for a Global Warming pattern.<br /> - an index for large scale regional circulation patterns (NAO index) could only to a small part explain the observed phenological variability in spring.<br /> <br /> The observed different trend behavior of early and late spring phases is explained by the differing behavior of mean March and April temperatures. Mean March temperatures have increased on average over the 20th century accompanied by an increasing variation in the last 50 years. April temperatures, however, decreased between the end of the 1940s and the mid-1980s, followed by a marked warming after the mid-1980s. <br /> It can be concluded that the advancement of spring phenology in recent decades are part of multi-decadal fluctuations over the 20th century that vary with the species and the relevant seasonal temperatures. Because of these fluctuations a correlation with an observed Global Warming signal could not be found.<br /> On average all investigated spring phases advanced between 5 and 20 days between 1951 and 1999 for all Natural Regions in Germany. A marked difference be! tween late and early spring phases is due to the above mentioned differing behavior before and after the mid-1980s. Leaf coloring (LC) was delayed between 1951 and 1984 for all tree species. However, after 1984 LC was advanced. Length of the VP increased between 1951 and 1999 for all considered tree species by an average of ten days throughout Germany.<br /> It is predominately the change in spring phases which contributes to a change in the potentially absorbed radiation. Additionally, it is the late spring species that are relatively more favored by an advanced BB because they can additionally exploit longer days and higher temperatures per day advancement. To assess the relative change in potentially absorbed radiation among species, changes in both spring and autumn phenology have to be considered as well as where these changes are located in the year.<br /> For the detection of the marked difference between early and late spring phenology a new time series construction method was developed. This method allowed the derivation of reliable time series that spanned over 100 years and the construction of locally combined time series increasing the available data for model development.<br /> Apart from analyzed protocolling errors, microclimatic site influences, genetic variation and the observers were identified as sources of uncertainty of phenological observational data. It was concluded that 99% of all phenological observations at a certain site will vary within approximately 24 days around the parametric mean. This supports to the proposed 30-day rule to detect outliers. <br /> New phenology models that predict local BB from daily temperature time series were developed. These models were based on simple interactions between inhibitory and promotory agents that are assumed to control the developmental status of a plant. Apart from the fact that, in general, the new models fitted and predicted the observations better than classical models, the main modeling results were: <br /> - The bias of the classical models, i.e. overestimation of early observations and underestimation of late observations, could be reduced but not completely removed. <br /> - The different favored model structures for each species indicated that for the late spring phases photoperiod played a more dominant role than for early spring phases. <br /> - Chilling only plays a subordinate role for spring BB compared to temperatures directly preceding BB.

Mit der starken Verbreitung des turboaufgeladenen Dieselmotors seit etwa 10 Jahren gewinnt auch der mittels Abgasturbolader aufgeladene Ottomotor mehr an Bedeutung. Im dynamischen Betriebsverhalten zeigen diese Motoren, vor allem bei Drehzahlen unter 2000 U/min, einen verzögerten Mitteldruckaufbau. Mit konventionellen Ansätzen ist dieses Problem nicht zufrieden stellend zu lösen, deshalb wurden Ansätze zur Unterstützung im dynamischen Betrieb erstellt. In dieser Arbeit wurden die Lösungen mit dem größten Potential zur Verbesserung untersucht. Die untersuchten Ansätze greifen zum Einen in das Gebiet der gezielten Einspeisung von dauerhaft verfügbarer Zusatzenergie und zum Anderen zur Verteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Aufladestufen. Als Zielstellung für die Verbesserungen des dynamischen Betriebsverhaltens wurde das Erreichen eines effektiven Mitteldruckes von 16.5 bar in einer Zeit kleiner einer Sekunde ab einer Motordrehzahl von 1700 U/min formuliert. Im Falle der Einspeisung von Zusatzenergie muss diese beliebig oft und in kurzen Abständen verfügbar sein. Im Kapitel Einspeisung von Zusatzenergie wurden die Konzepte elektrische unterstützter ATL sowie elektrischer Zusatzverdichter miteinander verglichen. Mit Hilfe rechnerischer Parameterstudien wurden die Randbedingungen für den Einsatz eines elektrischen Verdichters ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die Dimensionierung des eingesetzten Boosterverdichters ein Kompromiss zwischen Potential im Transientbetrieb und ausreichender Kennfeldbreite zur Anhebung der stationären Volllast im untersten Motordrehzahlbereich ist. Die Berechnungen haben zudem ergeben, dass die zu erwartende Begrenzung der verfügbaren elektrischen Bordnetzleistung den eBooster vorrangig für den Einsatz von Motoren mit einem Hubraum kleiner 2.5 l prädestiniert. Eine weitere Variante sieht die serielle Anordnung eines mechanisch angetriebenen Zusatzverdichters vor. Für die Umsetzung als zuschaltbares System reduziert sich die Auswahl auf einen mit geringem Massenträgheitsmoment gekennzeichneten Spirallader. Als dritte Variante wurde eine geregelte zweistufige Aufladung aufgegriffen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse wies für alle drei Varianten das Potential zur Umsetzung der formulierten Forderung zur Dynamikverbesserung nach. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min erreichten der Pscroll nach 580 ms und die beiden anderen Varianten nach jeweils 850 ms das Zielmoment. Gleichzeitig ergab die Analyse des für den Druckaufbau im System verantwortlichen Parameters Massenstrom der Strömungsmaschinen eine unterschiedliche Charakteristik der einzelnen Varianten. Während der Pscroll unabhängig von der Motordrehzahl sofort nach Lastaufschaltung eine hohe Überschussluftmasse, bezogen auf die vom Motor geschluckte Masse, fördert, vergeht sowohl beim eBooster als auch bei der zweistufigen Aufladung durch die notwendige Hochlaufzeit der Radialverdichter eine Zeitspanne bis zum Aufbau einer Überschussmasse. Die Zeitspanne während des Hochlaufs von der Ausgangsdrehzahl bis zur Enddrehzahl beträgt beim Pscroll nur etwa 80 ms, während bei den anderen Systemen ein Zeit von weniger als 400 ms auch theoretisch nicht darstellbar ist. Bei dem Übergang zu realen Hardwarekomponenten am Prüfstand vergrößerte sich der Abstand zwischen Pscroll und dem elektrischen Zusatzverdichter. Das System Pscroll greift auf weitestgehend bekannte und erprobte Technik zurück, wodurch gegenüber der Simulation keine Einschränkungen zu verzeichnen waren. Mit dem eBooster ergaben sich für den Elektromotor deutliche Abweichungen von dem für die Simulation zur Verfügung gestellten Wirkungsgradverlauf über der Drehzahl im Vergleich zum Tatsächlichen. Speziell in der Beschleunigungsphase ergeben sich gravierende Einbussen. Mit dem höheren Leistungsangebot am Prüfstand (4 kW statt 2.5 kW) gegenüber der Simulation konnte das Potential des Systems nachgewiesen werden. Bei einer Leistungsbeschränkung reduzieren sich die Gewinne spürbar.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.