Kombination von zweiphotonenbasiertem direktem Laserschreiben mit großflächiger und hochpräziser Nanopositionierung. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (xii, 121 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die Mikro- und Nanofabrikation verspricht für die nächsten Jahre ein enormes Wachstumspotenzial, insbesondere auch im Bereich der laserbasierten Fertigung. Die hochauflösende Technik des Laserschreibens mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) kann zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen mit minimalen Strukturbreiten von sub-100 nm verwendet werden. Mit der optischen Präzision gehen auch Forderungen an die Präzision der Mess- und Positioniersysteme einher, um den technischen Stand von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben weiter voranzutreiben. Die an der TU Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) ermöglichen eine hochgenaue und metrologisch rückführbare Positionierung mit Positionierauflösungen von 0,1 nm und einer Wiederholbarkeit von unter von 1 nm. Dabei eröffnet der Positionierbereich von 25 mm × 25 mm × 5mm bzw. von 200 mm × 200 mm × 25 mm der NPM-Maschinen ganz neue Dimensionen der skalenübergreifenden Fabrikation, sodass mikro- und sub-mikrometergenaue Artefakte bei Bauteilen mit Millimeterabmessungen erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die Erweiterung von NPM-Maschinen zu Fabrikationsmaschinen durch die Kombination mit 2PA-Laserschreiben thematisiert. Dazu wird zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgen eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Es konnten diverse erfolgreiche Experimente durchgeführt werden, sodass nach Untersuchungen zur Belichtungsdosis die Herstellung von großflächigen Justiermarken gezeigt wurde. Das Potential der genauen Positionierung wird durch bahnbrechende Ergebnisse zur Abstandsreduzierung zwischen zwei geschriebenen Linien, welche die Beugungsbegrenzung unterschreiten, demonstriert. Zudem zeigten erste Versuche zur dreidimensionalen Strukturierung von Hybridpolymeren das enorme Potential für zukünftige komplexe 3D-Anwendungen in einer bisher nicht möglichen Präzision. Im Fokus stand außerdem die Entwicklung und Untersuchung eines neuen Ansatzes zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz, der auf einer Verbindung von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben mit Feldemissionslithographie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoprägelithographie basiert.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000164
Localisation and tracking of people using distributed UWB sensors. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxx,180 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
In vielen Überwachungs- und Rettungsszenarien ist die Lokalisierung und Verfolgung von Personen in Innenräumen auf nichtkooperative Weise erforderlich. Für die Erkennung von Objekten durch Wände in kurzer bis mittlerer Entfernung, ist die Ultrabreitband (UWB) Radartechnologie aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und Durchdringungsfähigkeit Erfolg versprechend. In dieser Arbeit wird ein Prozess vorgestellt, mit dem Personen in Innenräumen mittels UWB-Sensoren lokalisiert werden können. Er umfasst neben der Erfassung von Messdaten, Abstandschätzungen und dem Erkennen von Mehrfachzielen auch deren Ortung und Verfolgung. Aufgrund der schwachen Reflektion von Personen im Vergleich zum Rest der Umgebung, wird zur Personenerkennung zuerst eine Hintergrundsubtraktionsmethode verwendet. Danach wird eine konstante Falschalarmrate Methode zur Detektion und Abstandschätzung von Personen angewendet. Für Mehrfachziellokalisierung mit einem UWB-Sensor wird eine Assoziationsmethode entwickelt, um die Schätzungen des Zielabstandes den richtigen Zielen zuzuordnen. In Szenarien mit mehreren Zielen kann es vorkommen, dass ein näher zum Sensor positioniertes Ziel ein anderes abschattet. Ein Konzept für ein verteiltes UWB-Sensornetzwerk wird vorgestellt, in dem sich das Sichtfeld des Systems durch die Verwendung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Blickfeldern erweitert lässt. Hierbei wurde ein Prototyp entwickelt, der durch Fusion von Sensordaten die Verfolgung von Mehrfachzielen in Echtzeit ermöglicht. Dabei spielen insbesondere auch Synchronisierungs- und Kooperationsaspekte eine entscheidende Rolle. Sensordaten können durch Zeitversatz und systematische Fehler gestört sein. Falschmessungen und Rauschen in den Messungen beeinflussen die Genauigkeit der Schätzergebnisse. Weitere Erkenntnisse über die Zielzustände können durch die Nutzung zeitlicher Informationen gewonnen werden. Ein Mehrfachzielverfolgungssystem wird auf der Grundlage des Wahrscheinlichkeitshypothesenfilters (Probability Hypothesis Density Filter) entwickelt, und die Unterschiede in der Systemleistung werden bezüglich der von den Sensoren ausgegebene Informationen, d.h. die Fusion von Ortungsinformationen und die Fusion von Abstandsinformationen, untersucht. Die Information, dass ein Ziel detektiert werden sollte, wenn es aufgrund von Abschattungen durch andere Ziele im Szenario nicht erkannt wurde, wird als dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit beschrieben. Die dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit wird in das Verfolgungssystem integriert, wodurch weniger Sensoren verwendet werden können, während gleichzeitig die Performanz des Schätzers in diesem Szenario verbessert wird. Bei der Methodenauswahl und -entwicklung wurde die Anforderung einer Echtzeitanwendung bei unbekannten Szenarien berücksichtigt. Jeder untersuchte Aspekt der Mehrpersonenlokalisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen und Messungen in einer realistischen Umgebung mit UWB Sensoren verifiziert.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000116
Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (VIII, 120 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die vorliegende Arbeit stellt ein neuartiges Konzept für eine fünfachsige Nanomessmaschine zur Messung von Formabweichungen auf stark gekrümmten Asphären oder Freiform-Flächen vor. Bis zu einem Anstieg von bis zu 60˚ der Messobjektoberfläche kann der Sensor orthogonal zu dieser ausgerichtet werden. Unter vollständiger Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips wird das Messobjekt translatorisch in einem Bereich von 25mm 25mm 5mm relativ zu dem um zwei Rotationsachsen drehbaren Sensor bewegt. Die Messachsen der translatorischen Positionsmessung schneiden sich im so genannten Abbe-Punkt. Dieser Abbe-Punkt ist gleichzeitig auch der Antastpunkt des Sensors und der konstante Momentanpol der beiden Rotationsachsen zur Sensorrotation, die sich rechtwinklig in dem Abbe-Punkt schneiden. Zur Bestimmung der zufälligen und systematischen Positionsabweichungen des Sensors in Folge seiner Rotation wird ein Referenzmesssystem vorgestellt. Dieses besteht aus drei fest mit dem Sensor verbundenen, kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern, die kontinuierlich den Abstand des Sensors zu der Innenfläche einer Referenzhemisphäre messen. Die Messstrahlen der Fabry-Pérot-Interferometer schneiden sich dabei virtuell im Abbe-Punkt. Um die Formabweichung dieser Referenzhemisphäre zu bestimmen, wird ein in-situ-Kalibrierverfahren beschrieben, das die Bestimmung der Formabweichung mit den im System vorhanden Sensoren im Einbauzustand erlaubt. Dazu wird der Sensor durch einen Kugelreflektor im Abbe-Punkt (Kugellinse n=2) ersetzt. Dessen Positionsabweichung wird während der Rotation gemessen und zur Bestimmung der Formabweichung der Referenzhemisphäre genutzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp des vorgestellten Konzepts aufgebaut und die Funktion des Referenzmesssystems verifiziert. Über einen großen translatorischen Verschiebungsbereich von 80 [my]m, kann die Verschiebung des Antastpunktes mit Hilfe des Referenzmesssystems auf +-200nm erfasst werden. Eine Wiederholungsmessung zwischen zwei Stellungen des Rotationssystems zeigte, dass die Antastpunktposition mit einer maximalen Abweichung von 27nm bestimmt werden kann. Die ausführliche theoretische Messunsicherheitsbetrachtung auf Grundlage von sechs Untermodellen ergibt eine Messunsicherheit für die Bestimmung des Antastpunktes von maximal 18nm p = 68%.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00045605
Numerical simulation of Lorentz Force Velocimetry in two-phase magnetohydrodynamic flow. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxiii, 113 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ist eine berührungslose elektromagnetische Durchflussmesstechnik, mit der die Durchflussrate von aggressivem oder bei hohen Temperaturen geschmolzenem Metall, wie Stahl oder Aluminium, gemessen und Informationen über den lokalen Durchfluss gegeben werden. In dieser Arbeit wurde eine Erweiterung der LKA, basierend auf den Lorentzkraftsignalen, numerisch untersucht, um Partikel in einem leitenden flüssigen Metall zu erkennen. Die Ergebnisse werden durch das Magnetohydrodynamik-Finite-Volumen-Verfahren mit ANSYS FLUENT verifiziert und durch Messungen validiert. Die elektromagnetische Induktion in einer leitenden Flüssigkeit, die sich in einem äußeren Magnetfeld bewegt, wird zur berührungslosen Durchflussmessung verwendet. In der LKA bestimmt man die auf den Magneten wirkende Kraft, um die Geschwindigkeitsinformation zu erhalten. Dieses Messprinzip kann auch auf die Durchführung von Strömungen mit Gasblasen angewendet werden, wie sie bei metallurgischen Prozessen auftreten. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von einzelnen Blasen/Partikeln auf die Lorentzkraft in zweiphasigen LKA Strömungen zu untersuchen. Durch die Verwendung eines Permanentmagnets kann man nicht nur das Vorhandensein einer Blase/eines Partikels erkennen, sondern auch Informationen über seine Position und Geschwindigkeit erhalten. In dieser Arbeit wird mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Strömungen ein elektrisch nicht leitendes, aufsteigendes Partikel in der Nähe eines kubischen Permanentmagneten im Flüssigmetall simuliert. Die numerische Simulation wird unter Verwendung einer Finite-Volumen-Methode, basierend auf dem SIMPLE-Algorithmus (Semi-Implicit Method for Pressure-Lined Equations), aufgrund seiner Robustheit gegen hohe Reynolds-Zahlen gelöst. Darüber hinaus wird der numerische Algorithmus erweitert, um das Ansteigen einzelner Blasen in flüssigem Metall zu simulieren. Das Ziel dieser Untersuchung ist, Experimente mit Argonblasen in einer GaInSn-Legierung zu reproduzieren und die elektromagnetische Induktion in der Strömung genauer zu betrachten. Für die dreidimensionalen und phasenauflösenden Simulationen wird die von ANSYS FLUENT bereitgestellte Volume-of-Fluid-Methode verwendet. Die Potentialgleichung in der quasistatischen Grenze ist ein elliptisches Problem für das elektrische Potential. Die Gleichung für das elektrische Potential, gekoppelt mit den Navier-Stokes-Gleichungen, wird in FLUENT mit einem benutzerdefinierten Skalar gelöst. Die elektrische Leitfähigkeit variiert zwischen den Phasen und das Magnetfeld wird durch einen analytischen Ausdruck für einen Permanentmagneten angegeben. Die numerischen Simulationen werden durch Vergleich mit den Experimenten validiert und zeigen die Fähigkeit des Modells zur Vorhersage der Interaktionsdynamik aufsteigender Blasen/Partikel in der LKA.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00045597
Mikrointerferometer auf Basis von interferenzoptischen Stehende-Welle-Sensoren. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xi, 161 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Seit dem Michelson-Morley-Experiment im Jahr 1887 werden Interferometer erfolgreich in Forschung und Industrie für verschiedenste Aufgaben eingesetzt. Laserinterferometer sind heute hochentwickelte und enorm leistungsfähige Geräte mit beachtlichen Parametern hinsichtlich Messauflösung und Messunsicherheit. Diese Leistungsfähigkeit jedoch beruht auf einem äußerst komplexen Aufbau mit einer großen Anzahl optischer Präzisionskomponenten, weshalb klassische Laserinterferometer kostenintensive Messmittel nahezu ausschließlich für Aufgaben der Präzisionsmesstechnik mit höchsten Anforderungen darstellen. Gemeinsam mit der begrenzten Miniaturisierbarkeit von diskret aufgebauten Interferometern resultiert daraus eine Einschränkung der möglichen Einsatzgebiete. Das Stehende-Welle-Interferometer stellt einen neuen Interferometeransatz dar, mit dem die genannten Einschränkungen überwunden werden können. Das Konzept basiert auf einer optischen stehenden Welle, welche im Raum vor einem Spiegel bei senkrechter Reflexion eines Laserstrahls in sich selbst entsteht. Die Intensitätsminima und -maxima der stehenden Welle sind räumlich an den Spiegel gekoppelt und können mit einem dünnen, transparenten Photosensor detektiert werden. Eine Zählung der den Sensor bei einer Spiegelverschiebung durchlaufenden Extrema ermöglicht bei bekannter Wellenlänge der Laserquelle eine Bestimmung des Verschiebewegs des Spiegels. Da sich der genannte Sensor im optischen Strahlengang befindet, beeinflusst dieser direkt die stehende Welle. Für den Sensor existieren daher besondere Anforderungen hinsichtlich dessen Dicke, Transparenz, Reflexionsgrad und Ebenheit. Im Rahmen dieser Arbeit werden entsprechende Stehende-Welle-Sensoren für hochdynamische Messungen und verschiedene optische Aufbauten entwickelt und untersucht. Die Sensoren basieren auf kommerziellen SOI-Wafern und können mit üblichen Halbleitertechnologien hergestellt werden. Bei der Entwicklung liegen die Schwerpunkte auf einer hohen Grenzfrequenz, auf der Entspiegelung der Sensoren und auf Verfahren zur mechanischen Stabilisierung der äußerst dünnen photoaktiven Schicht. Die elektrischen, optischen und elektrooptischen Eigenschaften der Sensoren werden umfangreich untersucht und deren Einsatz in Homodyn-, Heterodyn - und Interferometeraufbauten mit Phasenmodulation nachgewiesen.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00045571
Talbot-Lithografie und deren Anwendung zur Realisierung eines Kreuz-Echelle-Spektrometers. - Ilmenau, 2020. - X, 97 Seiten, Seite XI-LXX
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
ISBN 978-3-9822352-0-2
Die optische Spektroskopie hat im Verlauf von 150 Jahren schrittweise Anwendungsfelder von den Grundlagenwissenschaften bis hin zur industriellen Messtechnik erschlossen. Diese Vielfalt zieht eine Spezialisierung verfügbarer Messgeräte auf einzelne Applikationen nach sich. Lücken bestehen jedoch noch im Bereich einiger Feldapplikationen, wo einerseits widriger Umgebungsbedingungen vor Ort als auch hohe Gerätekosten die Messwerterfassung in einem zentralen Analyselabor erzwingen. Dies bedeutet meist die Beschränkung auf Stichproben und ein zeitverzögertes Messergebnis, was zur Prozesskontrolle nur bedingt taugt. Die vorliegende Arbeit schlägt für den Bereich der Atomemissionsspektroskopie eine neue Variante des Echelle-Spektrometers vor: Durch Integration der beiden Dispersionsschritte, welche nach dem Stand der Technik mit zwei getrennten Elementen realisiert werden, in ein einziges Beugungsgitter kann das Gerätedesign deutlich vereinfacht und miniaturisiert werden. Potentiell erhöht dies die Robustheit und senkt die Fertigungskosten. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Bewertung des Konzepts von Kreuz-Echelle-Spektrometern im Vergleich zu typischen Kompaktspektrometern. Besonderes Augenmerk wird auf Kenngrößen wie spektrales Auflösungsvermögen und Beugungseffizienz gelegt. Es werden die Vor- und Nachteile verschiedener Fertigungstechnologien für das Gitter diskutiert. Für den experimentellen Prinzipnachweis wird ein Kreuz-Echelle-Gitter gefertigt und für dieses ein Prototypenspektrometer ausgelegt und realisiert. Letzteres wird anhand praktischer Beispielmessungen erprobt und es werden Optimierungspotentiale benannt. Das zu fertigende Kreuz-Echelle-Gitter als Kernkomponente zeichnet sich durch die Überlagerung einer sehr tiefen und groben mit einer relativ flachen und feinen Struktur aus. Gängige Gitterfertigungsmethoden versagen hier, sodass mit der Talbot-Lithografie ein Alternativverfahren zum Einsatz kommt. Für dieses wird ein modularer und flexibler Belichtungsaufbau samt zugehöriger Softwareinfrastruktur beschrieben, um damit maßgeschneiderte Profilformen fertigen zu können. Ferner werden die Abbildungsfehler des Talbot-Effekts eingehend analysiert und deren Minimierungsmöglichkeiten aufgezeigt. Ebenso wird die Übertragung von statistischen Defekten bei der Talbot-Lithografie untersucht und auch hierfür Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet.
Metastable atomic layer deposition. - Ilmenau, 2020. - XVII, 154 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von breitbandig absorbierenden dreidimensionalen Hybrid-Nanostrukturen unter Verwendung eines neuartiges Abscheideprozesses: Metastabile Atomlagenabscheidung (kurz MS-ALD). Klassischerweise wird die Atomlagenabscheidung für die Abscheidung von planaren, binären Dünnschichten verwendet. Dabei werden zwei Präkursoren abwechselnd in einen Reaktor eingelassen. Die Präkursoren reagieren jeweils mit der Substratoberfläche, wobei die Reaktionen selbstlimitierend sind. So bindet nur eine Monolage der Präkursoren an der Oberfläche an. Dadurch lassen sich Dünnschichten mit perfekter Schichtdickenkontrolle homogen und winkeltreu herstellen. Im Gegensatz dazu können mit MS-ALD 3D-Strukturen hergestellt werden. Essentiell für diesen Prozess ist die Auswahl des Substrates. Das Substrat reagiert, im Gegensatz zur klassischen ALD, mit einem der beiden Präkursoren und bildet eine metastabile Phase aus. Diese metastabile Phase zerfällt augenblicklich in ihren ursprünglichen Anfangszustand unter Freigabe des Präkursors. Die Reaktion führt zum einen zu einer morphologischen Veränderung der Substratoberfläche und zum anderen zu einer Anreicherung des freigegebenen Präkursors an der Substratoberfläche. Durch den Einlass des zweiten Präkursors kommt es zu weiteren Reaktionen mit dem freigegebenen Präkursor. Diese Nebenreaktionen bewirken die Entstehung der beobachtbaren 3D-Strukturen. Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter der MS-ALD bei Verwendung zweier unterschiedlicher Substrate auf die Morphologie der resultierenden Strukturen. Da MS-ALD im Verlauf der Arbeit entwickelt wurde, wird zudem ein möglicher Wachstumsprozess diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Absorptionseiegenschaften der Strukturen vom ultravioletten bis zum nahem Infrarotbereich. Die hergestellten Strukturen erscheinen matt-schwarz und weisen eine extrem hohe Absorption bei senkrecht einfallender Strahlung auf (mehr als 99 % im Bereich von 220 nm bis 1582 nm). Die hohe Absorption und die Möglichkeit der problemlosen Skalierbarkeit des MS-ALD-Prozesses können dazu beitragen, neue Lösungsansätze für die Nutzung von Solarenergie zur regenerativen Stromerzeugung zu entwickeln.
Ein Beitrag zur Modellbildung und Steuerung der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200. - Ilmenau, 2020. - XV, 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Stetiger Fortschritt im Bereich der Digitalisierung und Informationsverarbeitung erfordern immer feinere optische und Halbleiterstrukturen. Diese sind nur durch immer hochauflösendere Fertigungsverfahren herstellbar. Damit steigt die Bedeutung hochpräziser Nanopositionier- und Nanomesstechnik. Sie wird einerseits für die Überprüfung hergestellter Strukturen, als auch für die eigentliche Fertigung benötigt. Zusätzlich benötigen komplexere Strukturen mehr Bauraum. Somit steigt der Bedarf an Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit großem Bewegungsbereich in Kombination mit höchstmöglicher Präzision. Mit Arbeitsbereichen von mehreren hundert Millimetern sowie Mess- und Positionierauflösungen im Nanometerbereich schließen sie die Lücke zwischen Koordinatenmessmaschinen und Rastersondenmikroskopen. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 ist einer der fortschrittlichsten Vertreter. Ihr einzigartiger Aufbau ermöglicht kleinste Messunsicherheiten von unter 30 nm in einem Arbeitsbereich von 200 x 200 x 25 mm^3. Mess- und Fabrikationsaufgaben können sowohl bei Umgebungsdruck, als auch im technischen Vakuum erfolgen. Das dafür realisierte Antriebskonzept stellt besondere Aufgaben an die Steuer- und Regelungsalgorithmen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Modelle der Antriebssysteme und bewegten Achsen entworfen und weiterentwickelt. Durch die spezielle Anordnung der Baugruppen für die vertikale Bewegung führen Rotationen zu erheblicher Wechselwirkung mit allen anderen Messachsen. Ein präzises Bewegungsmodell ermöglicht eine signifikante Verbesserung der Regelgüte. Daher wird das bisherige plattformbezogene Reibungsmodell durch ein führungsbezogenes ersetzt. Restfehler zwischen mathematischer Beschreibung und Messung können somit deutlich reduziert werden. Weiterhin wird das Modell um verschiedene Ansätze erweitert, die einen Einfluss der Kippwinkel berücksichtigen. Diese werden mit Messdaten abgeglichen und bewertet. Aufgrund auftretender Rastkräfte sind positionsabhängig hohe Antriebsströme in den planaren Antrieben erforderlich. Die vorhandenen Kühlsysteme können nicht hinreichend schnell auf die Änderungen der in Wärme umgesetzten Verlustleistung reagieren. Dadurch entstehende Temperaturschwankungen sind beim Betrieb in Vakuum grundsätzlich zu vermeiden. Aufbauend auf einer Kompensation der Rastkräfte wird eine Strategie entwickelt, um die Leistungsaufnahme auf einem möglichst niedrigen Niveau zu stabilisieren. Hierfür werden verschiedene Methoden vorgeschlagen und untersucht. Zur Vermeidung von Störkräften werden minimale Schwankungen der Leistungsaufnahme zugelassen, die so kurzfristig ausgeglichen werden, dass keine relevanten Temperaturschwankungen entstehen.
Design and performance analysis of Tri-gate GaN HEMTs. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (XIV, 126 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
HEMTs (high electron mobility transistors) auf GaN-Basis besitzen großes Potenzial für die HF- (Hochfrequenz) und Leistungselektronik und werden bereits in HF-Leistungsverstärkern und als Leistungsschalter verwendet. Üblicherweise sind GaN HEMTs Normally-On Transistoren (d.h. Transistoren, die sich bei einer Gatespannung von 0 V im Ein-Zustand befinden), was für Anwendungen wie Fail-Safe-Leistungsschalter und HF-Verstärker mit nur einer Versorgungsspannung nachteilig ist. Es schwierig, GaN HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik (HEMTs mit positiver Schwellspannung) zu realisieren, da in diesen Transistoren die Dichte des sich an der Grenzfläche Barriere/Puffer ausbildenden 2DEG (zweidimensionales Elektronengas) auf Grund starker Polarisationseffekte erheblich größer als in GaAs und InP HEMTs ist. Die Realisierung schneller HF-HEMTs erfordert kurze Gates. Allerdings leiden Transistoren mit sehr kurzen Gates häufig unter Kurzkanaleffekten und einer reduzierten Steuerwirkung des Gates, was zu einer Verschlechterung des Verhaltens im Aus-Zustand (erhöhte Werte für den Subthreshold Swing und das Drain-Induced Barrier Lowering) und im Ein-Zustand (erhöhter Drainleitwert) führt. In jüngster Zeit wird bei MOSFETs und HEMTs das Tri-Gate-Design angewendet, um die Gatesteuerwirkung zu verbessern und Kurzkanaleffekte zu unterdrücken. So wurden bereits Tri-Gate-Transistoren mit ausgezeichnetem Skalierungsverhalten, verbesserten Eigenschaften und, speziell im Fall von GaN Tri-Gate-HEMTs, positiver Schwellspannung, demonstriert. Auf der anderen Seite leiden GaN Tri-Gate-HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik jedoch unter großen Parasitäten, die das HF-Verhalten (insbesondere die Transitfrequenz) beeinträchtigen. Die Verbesserung des HF-Verhaltens und eine Reduzierung der Parasitäten von GaN Tri-Gate-HEMTs ist daher dringend nötig. Das erfordert jedoch ein tiefes Eindringen in die Physik dieser Bauelemente. In der vorliegenden Arbeit werden umfassende theoretische Untersuchungen und Bauelementesimulationen zu GaN Tri-Gate-HEMT beschrieben, die zu einem deutlichen verbesserten Verständnis der Wirkungsweise von GaN Tri-Gate-HEMTs führten. So konnten das Potential dieses Transistortyps bewertet, Designregeln erarbeitet und vorteilhafte Transistordesigns entwickelt werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass eine Verringerung der Bodyweite bei gegebener Gatespannung zu einer Verringerung der Ladungsträgerdichte im 2DEG führt, dass die Schwellspannung maßgeblich von der Bodyweite bestimmt wird und dass bei hinreichend geringer Bodyweite der Übergang vom Normall-On- zum Normally-Off-Betrieb erfolgt. Es wird auch gezeigt, dass der Abstand zwischen benachbarten Bodies nur einen geringen Einfluss auf die Schwellspannung hat. Darüber hinaus wird demonstriert, dass im Fall weiter Bodies (> 200 nm) der Kanal sowohl durch das Top-Gate als auch durch die Seiten-Gates gesteuert wird, während bei schmaleren Bodies die Steuerwirkung durch das Top-Gate geringer wird und die Verhältnisse im Kanal im Wesentlichen durch das Seiten-Gates bestimmt werden. In der Arbeit wird weiterhin Rolle des Designs der AlGaN-Barriere (Al-Gehalt, Dicke) untersucht und demonstriert, dass die Gestaltung der Barriere bei schmalen Bodies nur einen begrenzten Einfluss auf die Schwellspannung hat. Die Untersuchungen zeigen deutlich, dass das mit dem Tri-Gate-Konzept Normally-Off-Transistoren realisierbar sind, dass das Transistorverhalten im Ein-Zustand verbessert (höhere Steilheit) wird, und dass Kurzkanaleffekte im Aus-Zustand wirkungsvoll unterdrückt. Es wird auch demonstriert, dass GaN Tri-Gate HEMTs höhere Durchbruchspannungen zeigen und näher an der theoretischen Grenze für GaN-Bauelemente arbeiten als planare GaN HEMTs. Ein weiteres Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist der Nachweis, dass GaN Tri-Gate-HEMTs mit sorgfältig optimiertem Design den planaren HEMTs auch hinsichtlich des HF-Verhaltens überlegen sind. Ein Mittel zur Verbesserung des HF-Verhaltens ist die Reduzierung der Body-Ätzhöhe, die zur Verringerung der parasitären Kopplung zwischen den Body-Seitenwänden und den Source/Drain-Elektroden und somit zu einer geringeren Gatekapazität führt. Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Gatekapazität ist die Beschichtung der Body-Seitenwände mit einem Dielektrikum (z.B. SiN). Das verringert die Streukapazität, da jetzt die mit dem Gatemetall gefüllte Lücken zwischen benachbarten Bodies schmaler sind. Schließlich wird gezeigt, dass die Polarisationsladung an der Grenzfläche Barrier/Kanal und somit die Elektronendichte im 2DEG durch Erhöhung des Al-Gehalts der AlGaN-Barriere oder durch Nutzung eines anderen Materials für die Barriere (z.B. gitterangepasstes In0.17 Al0.83 N) gesteigert werden kann.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00043837
Novel Lorentz Force Velocimetry system based on bulk high-temperature superconductors. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (iii, 174 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die Lorentzkraftanometrie (LKA) ist eine Technik zur Messung der Geschwindigkeit von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten. Sie ist eine nicht-invasive Messtechnik, die besonders vorteilhaft für heiße, opake und aggressive Elektrolyte ist. Die LKA wurde für Salzwasser als Modellelektrolyt erfolgreich mit Dauermagnetanordnungen (DM) ohne magnetischen Rückschluss, aber mit gezielter Flussführung (Halbach-Array) und hochpräzisen Kraftmesssytemen (KMS) auf Basis der interferometrischen Messung der Auslenkung des Magnetsystems und der elektromagnetischen Kompensation der Auslenkung demonstriert. Um die LKA für schwach leitfähige Elektrolyte zu erweitern, ist eine Magnetfelderzeugung von > 1 T erforderlich. Ein Hochtemperatursupraleiter-Bulk (Bulk-HTS) kann ein Magnetfeld von mehreren Tesla erzeugen und somit die LKA-Leistung deutlich verbessern und die bisher genutzten DM ersetzen. Diese Arbeit zielt deshalb darauf ab, Bulk-HTS's in der LKA unter Berücksichtigung der kritischen Verbindungen zwischen der Funktionalität von Bulk-HTS's und dem KMS einzusetzen und ein LKA-System mit Bulk-HTS's zu entwerfen, herzustellen und zu testen. Die Ergebnisse wurden für die Entwicklung eines neuartigen LKA-System auf Basis eines Bulk-HTS als Magnetfeldquelle und einer Torsionswaage als Kraftmesssystem genutzt. Dieses System - Superconducting High-precision Lorentz Force Measurement System (Super-LOFOS) - wurde dann erfolgreich aufgebaut und getestet. Bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff bzw. Helium werden auf der Stirnfläche des Super-LOFOS magnetische Flußdichten von B_T = 100 mT bzw. B_T = 1,2 T erzeugt. Damit erweitert die vorliegende Arbeit die Einsetzbarkeit der LKA für gering elektrisch leitende und langsam strömende Fluide auf ([sigma] &hahog; u) = 1-10) S s^-1, sowie macht hochpräzise Kraftmessungen bis 1 nN unter kryogenen Bedingungen möglich. Darüber hinaus stellt das entwickelte Messsystem Super-LOFOS einen tragbaren Magnetfeldgenerator dar, der für NMR- und MRT-Technologien, Drug Targeting, und magnetische Trennungsverfahren einsetzbar ist.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000083