In der gartenbaulichen Forschung gewinnen zerstörungsfreie Produktmonitoringverfahren im Hinblick auf ein verbessertes Prozessmanagement an Bedeutung. Optische Methoden werden bereits in mobilen Systemen und Sortieranlagen zur Produktbewertung in Nachernteprozessen eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Beitrag zur quantitativen Bestimmung ernährungsphysiologisch bedeutender Fruchtpolyphenole auf der Basis laser-induzierter Fluoreszenzspektroskopie geleistet. An gelagerten Äpfeln und Möhren wurde die Varianz der Produktfluoreszenz bei verschiedenen Lagerbedingungen mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse ausgewertet, um die Produktentwicklung zerstörungsfrei aufzuzeigen. Für eine angepasste Methode der Datenauswertung wurden hierbei verschiedene Signalvorverarbeitungsmethoden getestet. Die quantitative Bestimmung einzelner Inhaltsstoffe wird in der komplexen pflanzlichen Matrix sowohl beeinflusst durch die Fluoreszenzquantenausbeute als auch Reabsorptions- und Löschungseffekten. Aufbauend auf Untersuchungen an Phenolstandards, Fruchtextrakten und geschnittenem Fruchtgewebe zu Einflussparametern und fluoreszenzspektrokopisch messbaren Konzentrationsbereichen wurden neuere Datenvorverarbeitungsmethoden zur Korrektur angewendet. Kalibriermodelle wurden auf der Basis der fluorimetrisch und chromatographisch ermittelten Werte von Hydroxyzimtsäurederivaten bei Apfel und Erdbeere erarbeitetet und hinsichtlich der Messungenauigkeit in der Kalibrierung und Kreuzvalidierung verglichen. Aufgrund der hohen Variabilität gartenbaulicher Produkte wurden diese Modelle auf einem unabhängigen Datensatz getestet. Mit Hilfe mathematischer orthogonaler Signalkorrektur konnte die für den Polyphenolgehalt nicht relevante Varianz aus den spektralen Daten entfernt und verringerte Kalibrierungs- und Validierungsfehler erzielt werden. Der in der Fluoreszenzanalyse übliche empirische Ansatz mit reflexionskorrigierten Fluoreszenzspektren zu arbeiten führten hingegen zu keiner Fehlerverminderung. / During recent years several research groups focussed on the development of non-destructive product monitoring methods to improve the process management for horticultural products in the entire supply chain. Optical methods have been applied for fruit monitoring in production and postharvest processes using mobile measuring systems or NIR sorting lines. The aim of the present study was to quantitatively determine health promoting native fruit polyphenols by means of laser-induced fluorescence spectroscopy. The variance in the fluorescence signal was detected on apples and carrots stored under different conditions. With the help of principal component analysis the fluorescence spectra were evaluated to visualize senescence effects during storage. Different data pre-processing methods were tested for a descriptive factor analysis regarding the wavelength-dependent intensities as variables. However, in a complex fruit matrix the quantitative determination of fruit compounds is influenced by its fluorescence quantum yield as well as reabsorption and quenching effects. The influence of side-effects was studied in phenol standards, fruit extracts and sliced fruit tissue and spectral data was corrected using new data pre-processing methods.. Calibration models for the polyphenol analyses were built on the fruit fluorescence spectra (apples, strawberries) using the chromatographically analysis of hydroxycinnamic acids as a reference. The uncertainty of the models was evaluated by their root mean squares errors of calibration and cross-validation. The feasibility of the non-destructive analysis in practice is influenced by the high variability of horticultural products. Therefore, the models were validated on an independent test set. The mathematical data pre-processing method of direct orthogonal signal correction removed the non relevant information in the spectral data and resulted in the lowest errors. In comparison, the often applied empirical approach in fluorescence spectroscopy to correct with simultaneously recorded reflectance spectra did not improve the calibration models.

Anbaubegleitende spektral-optische Analysen direkt an der Pflanze haben zunehmend Bedeutung für die gartenbauliche Produktion. Veränderungen individueller Pflanzeninhaltsstoffe können mit Hilfe optischer Sensoren unmittelbar und beliebig oft erfasst werden, wodurch Pflanzenreaktionen auf veränderte Umgebungs- und Kulturbedingungen instrumentell messbar sind. Im Konzept eines Präzisionsgartenbau könnten diese zusätzlichen Informationen adaptiven Kulturmaßnahmen dienen und zur effizienten Nutzung von Ressourcen in der Produktion von Obst und Gemüse beitragen. Die wellenlängenspezifische Lichtabsorption pflanzlicher Gewebe ermöglicht zerstörungsfreie Reflexions- oder Transmissionsmessungen und die Adressierung von Pigmentgruppen im ultravioletten und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Auf Grund veränderlicher Gehalte während des Wachstum und der Entwicklung pflanzlicher Gewebe, sind Pigmente zudem wichtige Indikatoren für den physiologischen Zustand von Obst und Gemüse. Präzise zerstörungsfreie Spektralanalysen werden allerdings durch komplexe optische Eigenschaften biologischen Materials, besonders im Hinblick auf die Reifeentwicklung von Obst und Gemüse erschwert. Zur Lösung dieser Problematik wurde ein neuer iterativer Ansatz (iMLR) entwickelt, der überlagerte in-situ und in-vivo Spektren individueller Pigmente aus einem Summenmessspektrum separiert. Dieser Algorithmus wurde in eine eigenständige Applikation überführt. Eine Datenbank enthält spektrale Signaturen von Chlorophyll a und b, Lycopin, β-Carotin, α-Carotin, Lutein und Violaxanthin. Obwohl die spektrale Analyse einzelner Pigmente durch optische Störgrößen in komplex aufgebauten biologischen Geweben und Pigmentgemischen erschwert ist, konnte ein neuer Ansatz erarbeitet und validiert werden. Diese Methode minimiert spektrale Überlagerung von in-situ und in-vivo aufgezeichneten Messsummensignalen und analysiert Pigmentgehalte in Farbstoffgemische zuverlässig. / Spectral measurements on plants have already been introduced in practice through extensive research and through the recent increase in the availability of low-cost devices. It can be expected that optical sensor systems may contribute to an economic and sustainable use of natural resources as a part of the concept for precision horticulture. In terms of phytomonitoring approaches, such technologies which address variable amounts of individual chromophoric plant components become more important. Their wavelength-selective light absorption makes pigments specifically responsive to reflection or transmission recordings in the ultraviolet and visible range of the electromagnetic spectrum. Additionally, pigments serve as indicators for physiological stages of leaf and fruit. Consequently, the instrumental recording of variable pigment contents has high potential with regards to dynamic plant-adapted processes during the production of fruit and vegetables. Solving the known issues of non-destructive spectroscopy, a new approach was figured out in the present work to obtain a more precise analysis of individual pigment contents, which vary during the cultivation of horticultural crops. The tool is based on an iterative algorithm (iMLR), that separates coinciding in-situ and in-vitro spectra from sum signals of individual pigments. Finally, the algorithm was integrated into a stand-alone application containing a library of chlorophyll a and b, as well as signatures of lycopene, β-carotene, α-carotene, lutein and violaxanthin. It can be pointed out that individual pigment compositions are suitable indicators of the physiological stage of horticultural products. However, the spectral analysis of single pigment levels is challenging due to complex interactions of coinciding absorption and diffuse light scattering in natural pigment mixtures or in fruit extracts. From this, an improved method for the reliable decomposition of spectral signals was developed.

Die Arbeit behandelt die zerstörungsfreie Eigenspannungsbestimmung in Silizium von 3D-integrierten Mikrosystemen am Beispiel Wolfram gefüllter TSVs. Dafür wurden die Verfahren der röntgenographischen Spannungsanalyse und der Raman-Spektroskopie genutzt. Interpretiert und verglichen wurden die Ergebnisse mit FE-Simulationen. Als Proben standen Querschliffe eines Doppelchip-Systems zur Verfügung, in denen der obere Chip Wolfram-TSVs enthielt. Beide Chips wurden mit dem Kupfer-Zinn-SLID-Verfahren gebondet. In Experimenten und Simulation konnte der Einfluss von Wolfram-TSVs auf die Netzebenendehnung im Silizium nachgewiesen werden. Die FE-Simulationen zeigen im Silizium Spannungen zwischen -20 und 150 MPa, wenn intrinsische Schichteigenspannungen des Wolframs vernachlässigt werden. Direkt am TSV entwickeln sich Spannungsgradienten von einigen 10 MPa pro Mikrometer. Für die röntgenographische Spannungsanalyse wurden Röntgenbeugungsmessungen am PETRA III-Ring des DESY durchgeführt. Dafür wurde der 2-Theta-Raum in Linienscans untersucht und Beugungsdiagramme aufgenommen. Die ermittelten Dehnungen liegen im Bereich von einigen 10E-5, was uniaxialen Spannungen zwischen 5 und 10MPa entspricht. Im Fall kleiner Gradienten werden die Verläufe der FE-Simulation zufriedenstellend bestätigt. Starke Spannungsgradienten, die sich in wenigen Mikrometern Abstand um das TSV entwickeln, konnten über eine Profilanalyse des Beugungspeaks bestimmt werden. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass lateral eng begrenzte Spannungsgradienten von 170 MPa pro µm in TSV-Nähe existieren. Verglichen wurden diese Ergebnisse mit Hilfe der Raman-Spektroskopie. Sowohl die Ergebnisse der Röntgenographischen Spannungsanalyse als auch die der Raman-Spektroskopie lassen darauf schließen, dass die Spannungsgradienten im Silizium in unmittelbarer Nähe zum TSV höher sind als von der FE-Simulation vorhergesagt. Des Weiteren wurde in der Arbeit eine universelle Röntgenbeugung- und Durchstrahlungssimulation XSIM entwickelt, die das Ray-Tracing-Modell nutzt und neben kinematischer und dynamischer Beugung auch optional Rayleigh- und Compton-Streuung berücksichtigt. / This thesis covers the non-destructive determination of residual stress inside Silicon of 3D-integrated micro systems using the example of Tungsten-filled TSVs by X-ray stress analysis and Raman spectroscopy. The results were interpreted and compared by FE-simulations. Double-die systems with Tungsten-TSVs at the top-die were prepared as cross-sections and used as specimens. Both dies were bonded by a Copper-Tin-SLID interconnect. The influence of Tungsten-TSVs on the lattice spacing in Silicon could be demonstrated by experiment as well as in FE-simulations. The FE reveals in Silicon stress between -20 and 150 MPa, if intrinsic stress of deposition inside Tungsten is neglected. The Silicon-Tungsten-interface develops stress gradients of some 10 MPa per micron. The X-ray diffraction measurements for the stress analysis were conducted at the PETRA III-Ring at DESY. The reciprocal 2-Theta-space was investigated by line scans and diffraction patterns were recorded. The registered strain is in the range of some 10E-5, what results in uniaxial stress between 5 and 10 MPa. The strain distributions at line scans of the FE were satisfyingly approved in case of small gradients. Large stress gradients were determined by a profile analysis of the diffraction peak. The investigation shows that stress gradients up to 170 MPa pro micron are present close to the TSV. The results were compared by Raman-spectroscopy. Both X-ray stress analysis and Raman-spectroscopy indicate larger stress gradients nearby the Tungsten-TSV than proposed by the FE-simulation. In addition a universal X-ray diffraction and radiography simulation named XSIM was developed within that thesis. A ray-tracing model was applied to that simulation. XSIM covers both kinematical and dynamical diffraction and optionally allows for Rayleigh and Compton scattering.

In der Arbeit wurde gezeigt, dass mit Hilfe der gewählten zerstörungsfreien und -armen Prüfverfahren der Bezug zu festigkeitsrelevanten Parametern hergestellt werden kann. Insgesamt 58 ungeschädigte und durch Braunfäulepilze geschädigte Nadelholzbalken und daraus hergestellte Prismen wurden mit Ultraschallecho und Bohrwiderstand geprüft und grundlegende Erkenntnisse für die Prüfungen an Holzbauteilen gewonnen. Die Ergebnisse wurden mit zerstörenden Festigkeitsprüfungen kombiniert. Bei den Ultraschallechountersuchungen wurde festgestellt, dass sich für die geprüfte Rohdichtespanne die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen mit steigender Rohdichte erhöht. Ein enger Zusammenhang konnte auch bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes nachgewiesen werden. Nach Durchführung multipler Regressionsanalysen mit der Rohdichte, dem Feuchtegehalt und der Messfrequenz als unabhängige Variablen wurden sehr gute Korrelationen innerhalb der Holzarten ermittelt, so dass die Schallgeschwindigkeit gut abgeschätzt werden konnte. Die Lokalisierung von Ästen und Rissen ist gut möglich. Schädigungen wurden prinzipiell durch Ausbleiben des Echos der Bauteilrückseite detektiert. War der Übergang in Schallausbreitungsrichtung abrupt, wurden die Wellen reflektiert und erzeugten ein Echosignal. Die durchgeführten Bohrwiderstandsuntersuchungen belegen einen Zusammenhang zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte sowohl für die Prismen als auch für die geprüften Balken. Die Streuung der Werte der Regressionsanalysen wurde bei Differenzierung der Bohrrichtung und des durchbohrten Bereiches des Balkenquerschnitts reduziert. Zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte bestand auch in den Zonen des Schadensübergangsbereiches ein linearer Zusammenhang. An Balken und Prismen wurden Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt und die Schadensübergangsbereiche gesondert betrachtet. Eine Differenzierung von Schädigungsgraden war in der Regel möglich. Bei den geschädigten Balken wurde der reale Querschnitt ermittelt und für die weiteren Berechnungen angesetzt. Danach wurde ein mittlerer Zusammenhang von Biegefestigkeit und E-Modul für die pilzgeschädigten Balken festgestellt. Die Kombination der ermittelten Festigkeiten mit dem Bohrwiderstand führte zu mittelgroßen bis starken Zusammenhängen. Die Differenzierung der Bereiche des Schadensüberganges war möglich. Im Hinblick auf die Einschätzung der Biegefestigkeit bestehender Träger wurden multiple Regressionsanalysen mit modifizierten Sortierkriterien, der Rohdichte, dem Feuchtigkeitsgehalt, der Querschnittszone, dem Bohrwiderstand und dem E-Modul durchgeführt und ergaben einen sehr starken Zusammenhang, der das erhebliche Potenzial der entwickelten Methodik bei der Bewertung geschädigter Tragkonstruktionen aufzeigt.

In der Arbeit wurde gezeigt, dass mit Hilfe der gewählten zerstörungsfreien und -armen Prüfverfahren der Bezug zu festigkeitsrelevanten Parametern hergestellt werden kann. Insgesamt 58 ungeschädigte und durch Braunfäulepilze geschädigte Nadelholzbalken und daraus hergestellte Prismen wurden mit Ultraschallecho und Bohrwiderstand geprüft und grundlegende Erkenntnisse für die Prüfungen an Holzbauteilen gewonnen. Die Ergebnisse wurden mit zerstörenden Festigkeitsprüfungen kombiniert. Bei den Ultraschallechountersuchungen wurde festgestellt, dass sich für die geprüfte Rohdichtespanne die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen mit steigender Rohdichte erhöht. Ein enger Zusammenhang konnte auch bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes nachgewiesen werden. Nach Durchführung multipler Regressionsanalysen mit der Rohdichte, dem Feuchtegehalt und der Messfrequenz als unabhängige Variablen wurden sehr gute Korrelationen innerhalb der Holzarten ermittelt, so dass die Schallgeschwindigkeit gut abgeschätzt werden konnte. Die Lokalisierung von Ästen und Rissen ist gut möglich. Schädigungen wurden prinzipiell durch Ausbleiben des Echos der Bauteilrückseite detektiert. War der Übergang in Schallausbreitungsrichtung abrupt, wurden die Wellen reflektiert und erzeugten ein Echosignal. Die durchgeführten Bohrwiderstandsuntersuchungen belegen einen Zusammenhang zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte sowohl für die Prismen als auch für die geprüften Balken. Die Streuung der Werte der Regressionsanalysen wurde bei Differenzierung der Bohrrichtung und des durchbohrten Bereiches des Balkenquerschnitts reduziert. Zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte bestand auch in den Zonen des Schadensübergangsbereiches ein linearer Zusammenhang. An Balken und Prismen wurden Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt und die Schadensübergangsbereiche gesondert betrachtet. Eine Differenzierung von Schädigungsgraden war in der Regel möglich. Bei den geschädigten Balken wurde der reale Querschnitt ermittelt und für die weiteren Berechnungen angesetzt. Danach wurde ein mittlerer Zusammenhang von Biegefestigkeit und E-Modul für die pilzgeschädigten Balken festgestellt. Die Kombination der ermittelten Festigkeiten mit dem Bohrwiderstand führte zu mittelgroßen bis starken Zusammenhängen. Die Differenzierung der Bereiche des Schadensüberganges war möglich. Im Hinblick auf die Einschätzung der Biegefestigkeit bestehender Träger wurden multiple Regressionsanalysen mit modifizierten Sortierkriterien, der Rohdichte, dem Feuchtigkeitsgehalt, der Querschnittszone, dem Bohrwiderstand und dem E-Modul durchgeführt und ergaben einen sehr starken Zusammenhang, der das erhebliche Potenzial der entwickelten Methodik bei der Bewertung geschädigter Tragkonstruktionen aufzeigt.

Die Arbeit behandelt die zerstörungsfreie Eigenspannungsbestimmung in Silizium von 3D-integrierten Mikrosystemen am Beispiel Wolfram gefüllter TSVs. Dafür wurden die Verfahren der röntgenographischen Spannungsanalyse und der Raman-Spektroskopie genutzt. Interpretiert und verglichen wurden die Ergebnisse mit FE-Simulationen. Als Proben standen Querschliffe eines Doppelchip-Systems zur Verfügung, in denen der obere Chip Wolfram-TSVs enthielt. Beide Chips wurden mit dem Kupfer-Zinn-SLID-Verfahren gebondet. In Experimenten und Simulation konnte der Einfluss von Wolfram-TSVs auf die Netzebenendehnung im Silizium nachgewiesen werden. Die FE-Simulationen zeigen im Silizium Spannungen zwischen -20 und 150 MPa, wenn intrinsische Schichteigenspannungen des Wolframs vernachlässigt werden. Direkt am TSV entwickeln sich Spannungsgradienten von einigen 10 MPa pro Mikrometer. Für die röntgenographische Spannungsanalyse wurden Röntgenbeugungsmessungen am PETRA III-Ring des DESY durchgeführt. Dafür wurde der 2-Theta-Raum in Linienscans untersucht und Beugungsdiagramme aufgenommen. Die ermittelten Dehnungen liegen im Bereich von einigen 10E-5, was uniaxialen Spannungen zwischen 5 und 10MPa entspricht. Im Fall kleiner Gradienten werden die Verläufe der FE-Simulation zufriedenstellend bestätigt. Starke Spannungsgradienten, die sich in wenigen Mikrometern Abstand um das TSV entwickeln, konnten über eine Profilanalyse des Beugungspeaks bestimmt werden. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass lateral eng begrenzte Spannungsgradienten von 170 MPa pro µm in TSV-Nähe existieren. Verglichen wurden diese Ergebnisse mit Hilfe der Raman-Spektroskopie. Sowohl die Ergebnisse der Röntgenographischen Spannungsanalyse als auch die der Raman-Spektroskopie lassen darauf schließen, dass die Spannungsgradienten im Silizium in unmittelbarer Nähe zum TSV höher sind als von der FE-Simulation vorhergesagt. Des Weiteren wurde in der Arbeit eine universelle Röntgenbeugung- und Durchstrahlungssimulation XSIM entwickelt, die das Ray-Tracing-Modell nutzt und neben kinematischer und dynamischer Beugung auch optional Rayleigh- und Compton-Streuung berücksichtigt. / This thesis covers the non-destructive determination of residual stress inside Silicon of 3D-integrated micro systems using the example of Tungsten-filled TSVs by X-ray stress analysis and Raman spectroscopy. The results were interpreted and compared by FE-simulations. Double-die systems with Tungsten-TSVs at the top-die were prepared as cross-sections and used as specimens. Both dies were bonded by a Copper-Tin-SLID interconnect. The influence of Tungsten-TSVs on the lattice spacing in Silicon could be demonstrated by experiment as well as in FE-simulations. The FE reveals in Silicon stress between -20 and 150 MPa, if intrinsic stress of deposition inside Tungsten is neglected. The Silicon-Tungsten-interface develops stress gradients of some 10 MPa per micron. The X-ray diffraction measurements for the stress analysis were conducted at the PETRA III-Ring at DESY. The reciprocal 2-Theta-space was investigated by line scans and diffraction patterns were recorded. The registered strain is in the range of some 10E-5, what results in uniaxial stress between 5 and 10 MPa. The strain distributions at line scans of the FE were satisfyingly approved in case of small gradients. Large stress gradients were determined by a profile analysis of the diffraction peak. The investigation shows that stress gradients up to 170 MPa pro micron are present close to the TSV. The results were compared by Raman-spectroscopy. Both X-ray stress analysis and Raman-spectroscopy indicate larger stress gradients nearby the Tungsten-TSV than proposed by the FE-simulation. In addition a universal X-ray diffraction and radiography simulation named XSIM was developed within that thesis. A ray-tracing model was applied to that simulation. XSIM covers both kinematical and dynamical diffraction and optionally allows for Rayleigh and Compton scattering.