Kohlenstoff basierte Elektroden sind sehr vielseitig und bieten einen großen Anwendungsbereich. Diese Arbeit ist fokussiert auf die Entwicklung, Modifizierung und Anwendung von Sensoren, die auf siebgedruckten Kohlenstoffelektroden (C-SPEs), sowie Graphen basieren. Im ersten Abschnitt der Arbeit wurden C-SPEs als Grundlage genutzt, um einen elektrochemischen Sensor für D-Laktat zu entwickeln, wobei D-Laktat ein potentieller Biomarker ist, um bakterielle Kontaminationen in physiologischen zu erkennen. Der entwickelte Sensor erreichte in pH-gepufferten Testsystemen eine Nachweisgrenze von 500 nM. Die Empfindlichkeit von D-Laktat in mit D-Laktat versetzten verdünnten Synovialflüssigkeitsproben wurde nur auf die Hälfte reduziert, was die Fähigkeit des Sensors beweist, erhöhte D-Laktat-Werte auch in einer komplexen physiologischen Matrix nachzuweisen. Im zweiten Teil wurde Graphen auf ein Silizium/Siliziumdioxid Träger mit vorgefertigten Platinelektroden transferiert. Anschließend wurde es einem Stickstoffplasma ausgesetzt, was zu einer tiefgreifenden Veränderung seiner elektrochemischen Eigenschaften führte. Oberflächenanalysen zeigten, dass das Graphengitter mit Stickstoffatomen dotiert und mit stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Graphenoberfläche modifiziert wurde, welches die elektrokatalytische Aktivität der untersuchten Redoxspezies veränderten. Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine neue Klasse hybrider 2D-Elektroden vorgestellt, bei denen nanoskalige Quecksilberpartikel zwischen zwei Graphen-Monoschichten eingeschlossen wurden. Dadurch erhält Graphen vorteilhafte Eigenschaften von Quecksilber, wie unter anderem ein hohes Überpotential für die Wasserstoffentwicklung und eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schwermetallionen wie Cd2+ und Pb2+. Das Ausgasen von Quecksilber durch die obere Schicht wurde vollständig verhindert, was zu einer stabilen quecksilberähnlichen Elektrode führt, die jedoch eine kohlenstoffhaltige Grenzfläche aufweist. / The use of carbon-based electrochemical sensors is highly versatile and applicable across a wide range of scenarios. This thesis is focused on the development, modification and application of sensors based on screen-printed carbon electrodes (C-SPEs) as well as graphene. In the first study, C-SPEs were used as a basis to develop an electrochemical sensor for D-lactate, which is a potent biomarker to detect bacterial contaminations in physiological samples. The D-lactate sensor achieved a detection limit of about 500 nM D-lactate in pH buffered test systems. The sensitivity in spiked diluted synovial fluid samples was only halved, which proves its capability to detect elevated D-lactate levels in the complex physiological matrix. In the second part, graphene was transferred onto a silicon/silicon oxide substrate with pre-patterned Pt-electrodes. Afterwards, it was subjected to nitrogen plasma, resulting in a profound alteration of its electrochemical properties. Surface analysis led to the conclusion, that the graphene lattice was doped with nitrogen atoms as well as nitrogen containing functional groups on the graphene surface, which altered graphene’s electrocatalytic activity towards the investigated redox species. In the final study, a new class of hybrid 2D electrodes is presented, where nanosized mercury particles are incorporated between two graphene monolayers. Thereby, graphene acquires advantageous properties from mercury, including a high overpotential for hydrogen evolution and increased sensitivity to heavy metal ions such as Cd2+ and Pb2+. The outgassing of mercury is entirely impeded by the top layer, resulting in a stable mercury-like electrode but featuring a carbonaceous interface.

Mikroprozessorgesteuerte Implantate haben sich in zahlreichen Bereichen der Medizin etabliert. Physiologische, korpereigene Parameter werden erfasst, abgespeichert und konnen durch Telemetriesysteme weitergeleitet werden. Zusatzlich stehen Therapieoptionen zur Verfugung. Dazu zahlen Neurostimulatoren, welche im Bereich der Schmerztherapie und des fortgeschrittenen Morbus Parkinson erfolgreich angewendet werden ebenso wie Systeme zur Medikamentenapplikation. Beispielhaft hat sich die Entwicklung aktiver Implantate jedoch im Bereich der Herzschrittmacher- und Defibrillatortherapie vollzogen. Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit der Erforschung physiologischer kardialer Parameter und ihrer Erfassung mit Hilfe von implantierbaren Sensoren. Dabei werden grundlegende technische Aspekte, die spezielle Sensorik zur Erfassung verschiedener Parameter und die Signalverarbeitung dargestellt. Es werden die bereits heute vielfaltigen Moglichkeiten implantierbarer kardialer Monitoringsysteme diskutiert. Neue Moglichkeiten wie das Monitoring ischamischer Ereignisse werden eroffnet. / Mikroprocessor controlled implantable systems are standard in many medical specialities. Physiological parameters can be recorded, stored and transfered via telemetry systems. In addition different therapeutic options are available: neurostimulation to treat patients with refractory pain and morbus parkinson, drug pumps for infusion of insulin etc.. Cardiac pacemakers and implantable cardioverter defibrillators were the driving force in the development of implantable sensors. We investigated different physiological cardiac parameters via implantable sensors. In this paper we discuss basic technical aspects, sensors, signal conditioning and signal analysis. The spectrum of available implantable sensors is shown. New options like the monitoring of transient myocardial ischemia are presented.

Aufgrund der steigenden Verkehrsnachfrage und der begrenzten Resourcen zum Ausbau der Straßenverkehrsnetze werden zukünftig größere Anforderungen an die Effektivität von Telematikanwendungen gestellt. Die Erhebung und Bereitstellung aktueller Verkehrsdaten durch geeignete Sensoren ist dazu eine entscheidende Voraussetzung. Gegenstand dieser Arbeit ist die großflächige Analyse des Straßenverkehrs auf der Basis bodengebundener und verteilter opto-elektronischer Sensoren. Es wird ein Konzept vorgestellt, dass eine von der Bilddatenerhebung bis zur Bereitstellung der Daten für Verkehrsanwendungen durchgehende Verarbeitungskette enthält. Der interdisziplinäre Ansatz bildet die Basis zur Verknüpfung eines solchen Sensorsystems mit Verkehrstelematik. Die Abbildung des Verkehrsgeschehens erfolgt im Gegensatz zu herkömmlichen bodengebundenen Messsystemen innerhalb größerer zusammenhängender Ausschnitte des Verkehrsraums. Dadurch können streckenbezogene Verkehrskenngrößen direkt bestimmt werden. Die Georeferenzierung der Verkehrsobjekte ist die Grundlage für eine optimale Verkehrsanalyse und Verkehrssteuerung. Die generierten Daten sind Basis zur Findung und Verifizierung von Theorien und Modellen sowie zur Entwicklung verkehrsadaptiver Steuerungsverfahren auf mikroskopischer Ebene. Es wird gezeigt, wie aus der Fusion gleichzeitig erhaltener Daten mehrerer Sensoren, die im Bereich des Sichtbaren und im thermalen Infrarot sensitiv sind, ein zusammengesetztes Abbildungsmosaik eines vergrößerten Verkehrsraums erzeugt werden kann. In diesem Abbildungsmosaik werden Verkehrsdatenmodelle unterschiedlicher räumlicher Kategorien abgeleitet. Die Darstellung des Abbildungsmosaiks mit seinen Daten erfolgt auf unterschiedlichen Informationsebenen in geokodierten Karten. Die Bewertung mikroskopischer Verkehrsprozesse wird durch die besondere Berücksichtigung der Zeitkomponente bei der Visualisierung möglich. Die vorgestellte Verarbeitungskette beinhaltet neue Anwendungsbereiche für geografische Informationssysteme (GIS). Der beschriebene Ansatz wurde konzeptionell bearbeitet, in der Programmiersprache IDL realisiert und erfolgreich getestet. / The growing demand of urban and interregional road traffic requires an improvement regarding the effectiveness of telematics systems. The use of appropriate sensor systems for traffic data acquisition is a decisive prerequisite for the efficiency of traffic control. This thesis focuses on analyzing road traffic based on stationary and distributed ground opto-electronic matrix sensors. A concept which covers all parts from image data acquisition up to traffic data provision is presented. This interdisciplinary approach establishes a basis for the integration of such a sensor system into telematics systems. Unlike conventional ground stationary sensors, the acquisition of traffic data is spread over larger areas in this case. As a result, road specific traffic data can be measured directly. Georeferencing of traffic objects is the basis for optimal road traffic analysis and road traffic control. This approach will demonstrate how to generate a spatial mosaic consisting of traffic data generated by several sensors with different spectral resolution. For traffic flow analysis the realisation of special 4D data visualisation methods on different information levels was an essential need. The data processing chain introduces new areas of application for geographical information systems (GIS). The approach utilised in this study has been worked out conceptually and also successfully tested and applied in the programming language IDL.

In dieser Dissertationen werden Untersuchungen zur Verwendung von Klebstoffen auf der Oberfläche von Silizium-Streifen-Sensoren für die Konstruktion von Detektormodulen für das ATLAS Phase-II Upgrade vorgestellt. Drei UV-härtende Klebstoffe wurden im Vergleich zu dem derzeitigen Standard-Klebstoff an 60 ATLAS07 Miniatur-Sensoren getestet. Der Einfluss von Bestrahlung auf die chemische Zusammensetzung aller verwendeten Klebstoffe wurde unter Verwendung von Standardmethoden zur chemischen Analyse untersucht. Mithilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Analysen von Klebstoffproben-Extrakten wurden verschiedene Ausmaße von Molekülvernetzung und gelösten Molekülbindungen festgestellt und der Grad von Strahlenhärte aller untersuchten Klebstoffe quantifiziert. Mithilfe einer Sensor-Probestation wurden die elektrischen Eigenschaften von teilweise mit Kleber bedeckten Sensoren untersucht. Im Vergleich zu Sensoren vor dem Bekleben zeigten mit Klebstoff bedeckte Sensoren einen erhöhten Leckstrom, erhöhte Zwischen-Streifen-Kapazitäten sowie Durchbrüche des Leckstroms bei niedrigeren angelegten Spannungen. Messungen der Ladungssammlungseffizienz in einem Beta-Strahlungs-Teststand wurden verwendet um den Einfluss von aufgetragenen Klebstoffen auf das Silizium-Kristallgitter zu untersuchen. Alle getesteten Sensoren - mit und ohne aufgebrachtem Klebstoff - zeigten vergleichbare Ladungssammlungseffizienzen sowie Signal-Rausch-Verhältnisse oberhalb des geforderten Minimums von zehn bei der vorhergesehenen Verarmungsspannung. Untersuchungen von Sensoren in Teststrahlmessungen zeigten außerdem, dass Sensoren um die zum Drahtbonden verwendeten Aluminiumflächen ungleichmäßig Ladung sammelten. Weiterführende Messungen konnten bestätigen, dass durch die Aluminiumflächen und darunterliegende Dotierungen das elektrische Feld innerhalb des Sensors verändert und zusätzliche Ladung um die Drahtbond-Flächen gesammelt wurde. / This thesis presents studies investigating the use of adhesives on the active area of silicon strip sensors for the construction of silicon strip detector modules for the ATLAS Phase-II Upgrade. 60 ATLAS07 miniature sensors were tested using three UV cure glues in comparison with the current baseline glue. The impact of irradiation on the chemical composition of all adhesives under investigation was studied using three standard methods for chemical analysis. Gas chromatography combined with mass spectrometry analyses of glue sample extracts showed molecule cross-linking and broken chemical bonds to different extents and allowed to quantify the radiation hardness of the adhesives under investigation. Probe station measurements were used to investigate electrical characteristics of sensors partially covered with adhesives. The presence of glue on the active sensor area was found to increase the sensor leakage current and inter-strip capacitance and frequently led to early sensor breakdowns. Charge collection efficiency measurements in a $\beta$-source setup were used to study the influence of adhesives on the silicon bulk. All sensors under investigation showed equivalent charge collection efficiencies for sensors with and without glue, as well as signal-to-noise ratios above the required minimum of ten for the foreseen bias voltage. During testbeam studies, sensor strips were found to respond inhomogeneously in bond pad regions. Follow-up measurements confirmed that the presence of bond pads affects the electric field within a sensor and leads to additional charge being collected around bond pads.

Der Siegeszug der Mikroelektronik ist faszinierend. In den vergangenen Jahrzehnten bestimmte die Mikroelektronik das Geschehen in der Informationstechnik: Immer leistungsstärkere Computer, vernetzte Systeme und das Internet sind ohne Mikroelektronik nicht denkbar. Weltweit haben Mikroelektronik-Firmen ihre strategischen Ziele im Rahmen einer in regelmäßigen Abständen aktualisierten “Roadmap” niedergelegt. Alle gehen davon aus, dass die bisher zu beobachtende Steigerung der Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Produkte auch in den nächsten Jahrzehnten fortgesetzt werden wird. Das bedeutet konkret, dass an vielen Stellen – auch in der heutigen Massenfertigung der Mikroelektronik – die charakteristischen Abmessungen der Einzelelemente im Nanometerbereich liegen, also eigentlich schon als Nanoelektronik bezeichnet werden können. Hinzu kommt ein weiteres, ebenso spannendes Feld: die Mikrosystemtechnik.

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Die Anwender von Reinigungstechnik stehen vor ständig neuen und wachsenden Herausforderungen. Steigende Qualitätsansprüche und zunehmender Kostendruck verlangen ein sicheres Beherrschen der Reinigungsprozesse und deren Steuerung für stabile Sauberkeit. Der folgende Tagungsbeitrag beschäftigt sich mit diesem Thema.

The rapid progress of electronics and computer science in the last years has brought humans and machines closer than ever before. Current trends like the Internet of Things and artificial intelligence are closing the gap even further, by providing ubiquitous data processing and sensing. As this ongoing revolution advances, novel forms of human-machine interactions are required in an ever more connected world. A crucial component to enable these interactions is the field of flexible electronics, which aims to establish a seamless link between living and artificial entities using electronic skins (e-skins). E-skins combine the functionality of commercial electronics with the soft, stretchable and biocompatible characteristics of human skin or tissue. Until lately, the focus had been to replicate the standard functions associated with human skin, such as, temperature, pressure and chemical detection. Yet, recent developments have also introduced non-standard sensing capabilities like magnetic field detection to create the field of magnetosensitive e-skins. The addition of a supplementary information channel—an electronic sixth sense—has sparked a wide range of applications in the fields of cognitive psychology and human-machine interactions. In this thesis, we expand the concept of magnetosensitive e-skins to include the notion of directionality, which utilizes the full interaction potential of the magnetic field vector. Also, we introduce the use of flexible magnetoelectronics in virtual/augmented reality and human-computer interfaces. Three main results are attained in the course of this work: (i) we first demonstrate how magnetosensitive e-skins can be used as humanmachine interfaces driven by permanent magnet sources in the range of 5 mT. (ii) Building upon this milestone, we realize the first magnetosensitive e-skins which are driven by the earth’s magnetic field of 50 μT. (iii) We fabricate magnetosensitive e-skins which push the detection limit below 1 μT. The magnetosensitive e-skins in this work open exciting possibilities for sensory substitution experiments and sensory processing disorder therapies. Futhermore, for human-machine interactions, they provide a new interactive platform for touchless and gestural control in virtual and augmented reality scenarios beyond the limitations of optics-based systems. / Der rasante Fortschritt der Elektronik und der Informatik in den letzten Jahren hat Mensch und Maschine nähergebracht als je zuvor. Aktuelle Trends wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz schließen die Lücke noch weiter, indem sie eine allgegenwärtige Datenverarbeitung und -erfassung ermöglichen. Mit fortschreitender Revolution sind neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion in einer immer vernetzter werdenden Welt erforderlich. Eine entscheidende Komponente, um diese Interaktionen zu ermöglichen, ist das Gebiet der flexiblen Elektronik, das darauf abzielt, mithilfe elektronischer Häute (e-skins) eine nahtlose Verbindung zwischen lebenden und künstlichen Entitäten herzustellen. E-skins verbinden die Funktionalität kommerzieller Elektronik mit den weichen, dehnbaren und biokompatiblen Eigenschaften menschlicher Haut oder menschlichen Gewebes. Bis vor kurzem lag der Schwerpunkt auf der Nachbildung der mit der menschlichen Haut verbundenen Standardfunktionen wie Temperatur-, Druck- und Chemikalienerkennung. Jüngste Entwicklungen haben jedoch auch nicht standardmäßige Erfassungsfähigkeiten wie die Magnetfelderkennung eingeführt, um das Feld magnetoempfindlicher e-skins zu erzeugen. Die Hinzufügung eines zusätzlichen Informationskanals - eines elektronischen sechsten Sinns - hat eine breite Palette von Anwendungen auf den Gebieten der kognitiven Psychologie und der Mensch-Maschine-Interaktionen ausgelöst. In dieser Arbeit erweitern wir das Konzept der magnetoempfindlichen e-skins um den Begriff der Richtwirkung, bei dem das volle Wechselwirkungspotential des Magnetfeldvektors genutzt wird. Außerdem führen wir die Verwendung flexibler Magnetoelektronik in der virtuellen Realität / erweiterten Realität und in Mensch-Computer-Schnittstellen ein. Im Verlauf dieser Arbeit werden drei Hauptergebnisse erzielt: (i) Wir demonstrieren erstmals, wie magnetoempfindliche e-skins als Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden können, die von Permanentmagnetquellen im Bereich von 5 mT angetrieben werden. (ii) Aufbauend auf diesem Meilenstein realisieren wir die ersten magnetoempfindlichen e-skins, die vom Erdmagnetfeld von 50 μT angetrieben werden. (iii) Wir fertigen magnetoempfindliche e-skins, bei denen die Nachweisgrenze unter 1 μT liegt. Die magnetoempfindlichen e-skins in dieser Arbeit eröffnen aufregende Möglichkeiten für sensorische Substitutionsexperimente und Therapien bei sensorischen Verarbeitungsstörungen. Darüber hinaus bieten sie für die Mensch-Maschine-Interaktion eine neue interaktive Plattform für die berührungslose und gestische Steuerung in virtuellen und Augmented Reality-Szenarien, die über die Grenzen optikbasierter Systeme hinausgehen.

Intelligente Bauteile sind zunehmend in der Forschung und Industrie von Interesse, aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Ein Beispiel dafür ist ein aktuelles Projekt des Bundesexzellenzclusters MERGE, welches sich mit der Entwicklung einer Mittelkonsole befasst, die als Bedienelement in einem Kraftfahrzeug dienen und durch Berührungen Aktionen ausführen soll. Um diese Funktionalität zu ermöglichen, ist es notwendig, die mittels piezokeramischer Sensoren erzeugten elektrischen Signale hinsichtlich der Lokalisation des Einschlags auszuwerten. Dies bezüglich werden verschiedene Signaleigenschaften auf ihre Eignung unter Verwendung einer support vector machine untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die energetische Betrachtung der Signale eine Einschlagslokalisation realisierbar ist, aber Einschränkungen in der praktischen Verwendbarkeit aufweist.