Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

Thermal management is a major bottleneck for the next-but-one generation of semiconductor devices, especially the performance of SiC and GaN devices is limited by heat dissipation. This thesis evaluates four new packaging concepts with regards to thermal management: Diamond based substrates, phase change materials, Cu-Graphene composite films and anisotropic heat dissipation. Anisotropic heat dissipation is shown to be the most auspicious concept. A metal-matrix composite baseplate for a high performance power module using annealed pyrolytic graphite is created and evaluated. The baseplate shows a locally increased heat dissipation compared to a plain metal baseplate by 30 %. Furthermore, the thermal contact between device (baseplate) and cooler is of high importance. A study of different characterization methods for thermal interface materials is performed and a new method for the quantification of the thermal contact conductance is presented. The study shows that a combination of several methods is necessary so that the complete picture of heat dissipation performance of thermal interface materials becomes apparent. The new developed method allows to select the perfect thermal grease for a given combination of device and cooler. / Wärmemanagement ist eine große Herausforderung sowohl für aktuelle als auch für zukünftige Halbleiterprodukte. Speziell die nächste Produktgeneration mit SiC oder GaN Chips benötigen neue Entwärmungskonzepte, um ihr volles Potential bezüglich höherer Stromstärken zu entfalten. In dieser Arbeit wurden vier neuartige Konzepte erforscht: Diamant basierte Substrate, Phasen-Wechsel-Materialien, Cu-Graphene Kompositschichten und anisotrope Entwärmung. Es zeigte sich, dass anisotrope Entwärmung das vielversprechendste Konzept ist. Als Demonstrator wurde eine Bodenplatte mit thermisch pyrolytischen Graphiteinleger für ein Leistungsmodul gefertigt. Sie zeigt eine lokale Erhöhung der Entwärmung von 30 %. Weiter ist der thermische Kontakt zwischen Bauteil und Kühler sehr wichtig. Verschiedene Charakterisierungsmethoden für thermische Schnittstellen-Materialien wurden verglichen. Dieser Vergleich zeigt, dass eine Kombination verschiedener Methoden notwendig ist, um ein vollständiges Bild über die Leistungsfähigkeit solcher Materialien zu gewinnen. Eine neue Messmethode wurde entwickelt, um die thermische Kontakt-Leitfähigkeit zu messen. Diese neue Methode ermöglicht es, die beste Wärmeleitpaste für eine vorgegebene Kombination aus Produkt und Kühleroberfläche zu identifizieren.

In the past decades, numerous single-molecule techniques have been developed to investigate individual bio-molecules and cellular machines. While a lot is known about the structure, localization, and interaction partners of such molecules, much less is known about their mechanical properties. To investigate the weak, non-covalent interactions that give rise to the mechanics of and between proteins, an instrument capable of resolving sub-nanometer displacements and piconewton forces is necessary. One of the most prominent biophysical tool with such capabilities is an optical tweezers. Optical tweezers is a non-invasive all-optical technique in which typically a dielectric microsphere is held by a tightly focused laser beam. This microsphere acts like a microscopic, three-dimensional spring and is used as a handle to study the biological molecule of interest. By interferometric detection methods, the resolution of optical tweezers can be in the picometer range on millisecond time scales. However, on a time scale of seconds—at which many biological reactions take place—instrumental noise such as thermal drift often limits the resolution to a few nanometers. Such a resolution is insufficient to resolve, for example, the ångstrom-level, stepwise translocation of DNA-binding enzymes corresponding to distances between single basepairs of their substrate. To reduce drift and noise, differential measurements, feedback-based drift stabilization techniques, and ‘levitated’ experiments have been developed. Such methods have the drawback of complicated and expensive experimental equipment often coupled to a reduced throughput of experiments due to a complex and serial assembly of the molecular components of the experiments. We developed a high-resolution optical tweezers apparatus capable of resolving distances on the ångstrom-level over a time range of milliseconds to 10s of seconds in surface-coupled assays. Surface-coupled assays allow for a higher throughput because the molecular components are assembled in a parallel fashion on many probes. The high resolution was a collective result of a number of simple, easy-to-implement, and cost-efficient noise reduction solutions. In particular, we reduced thermal drift by implementing a temperature feedback system with millikelvin precision—a convenient solution for biological experiments since it minimizes drift in addition to enabling the control and stabilization of the experiment’s temperature. Furthermore, we found that expanding the laser beam to a size smaller than the objective’s exit pupil optimized the amount of laser power utilized in generating the trapping forces. With lower powers, biological samples are less susceptible to photo-damage or, vice versa, with the same laser power, higher trapping forces can be achieved. With motorized and automated procedures, our instrument is optimized for high-resolution, high-throughput surface-coupled experiments probing the mechanics of individual biomolecules. In the future, the combination of this setup with single-molecule fluorescence, super-resolution microscopy or torque detection will open up new possibilities for investigating the nanomechanics of biomolecules.

In dieser Arbeit wird ein Motorschutzsystem vorgestellt, das die Temperaturen in Asynchronmotoren während des Betriebes zuverlässig und sensorarm berechnet und dabei leicht auf andere Motoren übertragbar ist. Neben dem Schutz vor unzulässiger Erwärmung können die auftretenden Wicklungsverluste für eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung genauer ermittelt werden. Basis ist ein thermisches 9-Körper-Modell, das die Temperaturverläufe wesentlicher Maschinenteile abbilden kann. Der vorgeschlagene Identifikationsalgorithmus sorgt für eine hohe Übereinstimmung der Temperaturverläufe. Fehler im thermischen Modell oder der Verlustleistungsberechnung können durch die Rückführung eines einzelnen Temperatursensors und eines verbesserten Schätzers der Läuferwicklungstemperatur korrigiert werden. Das Überschreiten definierter Temperaturgrenzen kann mit der vorgeschlagenen Abschaltzeitprognose auch im Fehlerfall frühzeitig erkannt werden.

Der thermische Akkommodationskoeffizient α spielt als Teil der effektiven Wärmeleitfähigkeit von hochporösen Dämmstoffen (basierend auf SiO2 oder CaSiO3) eine nicht zu unterschätzende Rolle beim Wärmetransport. In vorhandenen Modellen zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird er häufig, jedoch nicht bewiesen mit α = 1 für Gase wie Argon oder Stickstoff bzw. α = 0,3 für Helium angenommen. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, jene Annahme zu überprüfen als auch erstmalig α an CaSiO3 zu bestimmen. Dazu wurde eine eigens entwickelte Versuchsapparatur ähnlich einer Guarded-Hot-Plate aufgebaut und umfangreich mit Literaturdaten kalibriert. Die bisher allgemein gültige Annahme konnte für beide Materialien mit Argon, Stickstoff und Helium experimentell verifiziert und damit die Gültigkeit vorhandener Modelle zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit unterstrichen werden. Parallel dazu wurde kooperativ eine Molekulardynamik Simulation durchgeführt, wodurch die Messergebnisse ebenfalls bestätigt werden konnten.

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Increasing interest in an effciency enhancement of existing energy sources led to an extended research in the field of thermoelectrics. Especially skutterudites with their high power factor (electric conductivity times Seebeck coefficient squared) are suitable thermoelectric materials. However, a further improvement of their thermoelectric properties is necessary. The relatively high thermal conductivity can be decreased by introducing loosely bound guest ions, whereas atom substitution or nanostructuring (as thin films) could yield an increased power factor. The present work proves the feasibility to deposit single phase skutterudite thin films by MBE technique. In this regard CoSby and FeSby film series were deposited with three different methods: i) codeposition at elevated temperatures, ii) codeposition at room temperature followed by post-annealing, and iii) modulated elemental reactant method. The structural and thermoelectric properties of these films were investigated by taking the thermal stability of the film and the substrate properties into account. Compared to the stoichiometric Sb content of skutterudites of 75 at.%, a small excess of Sb is necessary for achieving single phase skutterudite films. It was found, that the deposited single phase CoSb3 films reveal bipolar conduction (and therefore a low Seebeck coefficient), whereas FeSb3 films show p-type conduction and very promising power factors at room temperature. The need of substrates with a low thermal conductivity and a suitable thermal expansion coefficient is also demonstrated. A high thermal conductivity influences the measurements of the Seebeck coefficient and the obtained values will be underestimated by thermal shortening of the film by the substrate. If the thermal expansion coefficient of film and substrate differ strongly from each other, crack formation at the film surface was observed. Furthermore, the realization of controlled doping by substitution as well as the incorporation of guest ions was successfully shown. Hence, this work is a good starting point for designing skutterudite based thin film structures. Two successful examples for such structures are given: i) a thickness series, where a strong decrease of the resistivity was observed for films with a thickness lower than 10nm, and ii) a FexCo1-xSb3 gradient film, for which the gradient was maintained even at an annealing temperature of 400°C.

Der thermische Widerstand ist eine wichtige Kenngröße von Silicium-Germanium-Hetero-Bipolartransistoren (SiGe-HBTs). Bisher kam es bei der quantitativen Bestimmung der thermischen Widerstände von SiGe-HBTs zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Messung. Der Unterschied zwischen Simulation und Messung betrug bei den untersuchten HBTs mehr als 30 Prozent. Diese Arbeit widmet sich der Aufklärung und Beseitigung der möglichen Ursachen hierfür. Zu diesem Zweck werden als erstes die Messmethoden analysiert. Es zeigt sich, dass die bisher verwendete Extraktionsmethode sensitiv auf den Early-Effekt (Basisweitenmodulation) reagiert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein neues Extraktionsverfahren entwickelt. Die neue Extraktions­methode ist unempfindlich gegenüber dem Early-Effekt. Mit Bauelemente­simulationen wird erstmalig die Wirkung des Seebeck-Effektes (Thermospannungen) auf die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände demonstriert. Der Seebeck-Effekt bewirkt, dass die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände der untersuchten HBTs nahezu 10 Prozent kleiner als die erwarteten Werte sind. Dieser Effekt wurde bisher nicht beachtet und wird hier erstmals nachgewiesen. Weiterhin wird die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes vom Arbeitspunkt untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bis zu einer Basis-Emitter-Spannung von 0,91 Volt die geometrische Form des Wärme abgebenden Gebietes unabhängig vom Arbeitspunkt ist. Anhand von Messungen wird gezeigt, dass die Dotierung die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Silicium reduziert. Die Abnahme wird für Dotierungen größer als 1*1019 cm‑3 deutlich sichtbar. Ist die Dotierung größer als 1*1020 cm‑3, beträgt die Abnahme der spezifischen Wärmeleitfähigkeit mehr als 75 Prozent. Mithilfe einer Simulatorkalibrierung wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Dotierung bestimmt. Die erhaltene Funktion kann künftig beim thermischen Entwurf von HBTs verwendet werden. Somit können zukünftig genauere Vorhersagen zum thermischen Widerstand der HBTs gemacht werden. Dies ermöglicht zuverlässigere Aussagen darüber, wie Änderungen des Transistordesigns zur Minimierung des thermischen Widerstandes beitragen. / The thermal resistance is an important parameter of silicon-germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs). Until now, the quantitative determination of the thermal resistance showed significant differences between measurements and simulations. The difference between simulation and measurement of the investigated HBTs was more than 30 percent. This thesis devotes the clarification and elimination of potential sources for it. For this purpose, the measurement methods are analyzed at first. It is shown, that the currently used extraction method is sensitive to the Early effect (basewidth modulation). A now extraction method was developed, which is not sensitive to the Early effect. For the first time, the influence of the Seebeck effect (thermoelectric voltages) on the electrically extracted thermal resistance is shown by device simulations. The Seebeck effect leads to a 10 percent lower extracted thermal resistances compared to the expected values of the investigated HBTs. This effect was not taken into account up to now and is demonstrated here for the first time. Furthermore, the dependence of the thermal resistance on the operating point was investigated. The results show that the shape of the heat source is independent of the operating point if the base emitter voltage is smaller than 0.91 volt. The thermal conductivity of silicon is decreased by increasing doping concentrations. This is shown by measurements. The reduction of the thermal conductivity is well observable for doping concentrations higher than 1*1019 cm‑3. For doping concentration higher than 1*1020 cm‑3 the reduction amounts to more than 75 percent. The thermal conductivity was determined as a function of the doping concentration with the aid of a simulator calibration. This function can be used in the future thermal design of HBTs. It facilitates the optimization of the HBTs with respect to a minimal thermal resistance.

Etwa die Hälfte aller Solarzellen weltweit wird aus blockerstarrtem Silizium hergestellt. Derartige Blöcke weisen in ihren Außenbereichen eine verringerte Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf. Um die Ursache dafür im Fall des bodennahen Bereichs zu bestimmen wurden zwei Spezialblöcke (ein Block mit reduzierter Bor-Dotierung und ein Block mit Phosphor-Dotierung) - u. a. mittels DLTS und FTIR - auf Kristalldefekte untersucht. Zusätzlich zu Dotierelementen (B, P, Al, As) wurden im Bodenbereich folgende Defekte nachgewiesen: <u>Metalle</u>: Fe, Cr <u>Sauerstoffhaltige Defekte</u>: Interstitieller Sauerstoff, Thermische Donatoren (TD), O1, O2 <u>Stickstoffhaltige Defekte</u>: NN-Paar, NNO-Komplex, Shallow Thermal Donors (STD) <u>Ausgedehnte Defekte</u>: Versetzungen, Ausscheidungen, Korngrenzen. Die Verteilung der flachen Donatoren (P, TD, STD, As) und Akzeptoren (B, Al) bestimmt den Widerstandsverlauf im bodennahen Bereich des Phosphor dotierten Spezialblocks. Das dortige Diffusionslängenprofil kann im Rahmen der Shockley-Read-Hall-Statistik erst durch eine Erhöhung des Minoritätseinfangquerschnitts für das Cr-Niveau (Faktor 5) bzw. für das STD-Niveau (Faktor 10) nachgezeichnet werden. Eisen, Versetzungen und Korngrenzen haben hier keinen wesentlichen Einfluss. In den untersten Millimetern des Spezialblocks müssen weitere Defekte hinzukommen, die die Diffusionslänge zusätzlich reduzieren; Thermische Donatoren und O1 und eventuell Ausscheidungen kommen dazu in Frage. Die sinngemäße Übertragung der Konzentrationsverläufe aus den beiden Spezialblöcken auf einen Block mit einer produktionsüblichen Dotierung ([B]≈10^{<small>16</small>}/cm^{<small>3</small>}) ergibt, dass in diesem Fall verschiedene Defekte (TD, STD, CrB und FeB) einen Beitrag zur Diffusionslängenreduktion im bodennahen Blockbereich liefern.