Piezoresistive cantilevers with an integrated bimorph actuator

Scanning Probe Microscopy (SPM) has become of fundamental importance for research in area of micro and nano-technology. The continuous progress in these fields requires ultra sensitive measurements at high speed. The imaging speed limitation of the conventional Tapping Mode SPM is due to the actuation time constant of piezotube feedback loop that keeps the tapping amplitude constant. In order to avoid this limit a deflection sensor and an actuator have to be integrated into the cantilever. In this work has been demonstrated the possibility of realisation of piezoresistive cantilever with an embedded actuator. Piezoresistive detection provides a good alternative to the usual optical laser beam deflection technique. In frames of this thesis has been investigated and modelled the piezoresistive effect in bulk silicon (3D case) for both n- and p-type silicon. Moving towards ultra-sensitive measurements it is necessary to realize ultra-thin piezoresistors, which are well localized to the surface, where the stress magnitude is maximal. New physical effects such as quantum confinement which arise due to the scaling of the piezoresistor thickness was taken into account in order to model the piezoresistive effect and its modification in case of ultra-thin piezoresistor (2D case). The two-dimension character of the electron gas in n-type piezoresistors lead up to decreasing of the piezoresistive coefficients with increasing the degree of electron localisation. Moreover for p-type piezoresistors the predicted values of the piezoresistive coefficients are higher in case of localised holes. Additionally, to the integration of the piezoresistive sensor, actuator integrated into the cantilever is considered as fundamental for realisation of fast SPM imaging. Actuation of the beam is achieved thermally by relying on differences in the coefficients of thermal expansion between aluminum and silicon. In addition the aluminum layer forms the heating micro-resistor, which is able to accept heating impulses with frequency up to one megahertz. Such direct oscillating thermally driven bimorph actuator was studied also with respect to the bimorph actuator efficiency. Higher eigenmodes of the cantilever are used in order to increase the operating frequencies. As a result the scanning speed has been increased due to the decreasing of the actuation time constant. The fundamental limits to force sensitivity that are imposed by piezoresistive deflection sensing technique have been discussed. For imaging in ambient conditions the force sensitivity is limited by the thermo-mechanical cantilever noise. Additional noise sources, connected with the piezoresistive detection are negligible.

Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.

Fehlersuche im Modell - Modellbasiertes Testen und Debuggen

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von Methoden, Techniken und Werkzeugen zur Fehlersuche in modellbasierten Softwareentwicklungsprozessen. Hierzu wird zuerst ein von mir mitentwickelter, neuartiger und modellbasierter Softwareentwicklungsprozess, der sogenannte Fujaba Process, vorgestellt. Dieser Prozess wird von Usecase Szenarien getrieben, die durch spezielle Kollaborationsdiagramme formalisiert werden. Auch die weiteren Artefakte des Prozess bishin zur fertigen Applikation werden durch UML Diagrammarten modelliert. Es ist keine Programmierung im Quelltext nötig. Werkzeugunterstützung für den vorgestellte Prozess wird von dem Fujaba CASE Tool bereitgestellt. Große Teile der Werkzeugunterstützung für den Fujaba Process, darunter die Toolunterstützung für das Testen und Debuggen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fujaba Process im Detail erklärt und unsere Erfahrungen mit dem Einsatz des Prozesses in Industrieprojekten sowie in der Lehre dargestellt. Der zweite Teil beschreibt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Testgenerierung, die zu einem wichtigen Teil des Fujaba Process geworden ist. Hierbei werden aus den formalisierten Usecase Szenarien ausführbare Testfälle generiert. Es wird das zugrunde liegende Konzept, die konkrete technische Umsetzung und die Erfahrungen aus der Praxis mit der entwickelten Testgenerierung dargestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit dem Debuggen im Fujaba Process. Es werden verschiedene im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzepte und Techniken vorgestellt, die die Fehlersuche während der Applikationsentwicklung vereinfachen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass das Debuggen, wie alle anderen Schritte im Fujaba Process, ausschließlich auf Modellebene passiert. Unter anderem werden Techniken zur schrittweisen Ausführung von Modellen, ein Objekt Browser und ein Debugger, der die rückwärtige Ausführung von Programmen erlaubt (back-in-time debugging), vorgestellt. Alle beschriebenen Konzepte wurden in dieser Arbeit als Plugins für die Eclipse Version von Fujaba, Fujaba4Eclipse, implementiert und erprobt. Bei der Implementierung der Plugins wurde auf eine enge Integration mit Fujaba zum einen und mit Eclipse auf der anderen Seite geachtet. Zusammenfassend wird also ein Entwicklungsprozess vorgestellt, die Möglichkeit in diesem mit automatischen Tests Fehler zu identifizieren und diese Fehler dann mittels spezieller Debuggingtechniken im Programm zu lokalisieren und schließlich zu beheben. Dabei läuft der komplette Prozess auf Modellebene ab. Für die Test- und Debuggingtechniken wurden in dieser Arbeit Plugins für Fujaba4Eclipse entwickelt, die den Entwickler bestmöglich bei der zugehörigen Tätigkeit unterstützen.

Molecular Beam Epitaxial Growth of III-V Semiconductor Nanostructures on Silicon Substrates

The main focus and concerns of this PhD thesis is the growth of III-V semiconductor nanostructures (Quantum dots (QDs) and quantum dashes) on silicon substrates using molecular beam epitaxy (MBE) technique. The investigation of influence of the major growth parameters on their basic properties (density, geometry, composition, size etc.) and the systematic characterization of their structural and optical properties are the core of the research work. The monolithic integration of III-V optoelectronic devices with silicon electronic circuits could bring enormous prospect for the existing semiconductor technology. Our challenging approach is to combine the superior passive optical properties of silicon with the superior optical emission properties of III-V material by reducing the amount of III-V materials to the very limit of the active region. Different heteroepitaxial integration approaches have been investigated to overcome the materials issues between III-V and Si. However, this include the self-assembled growth of InAs and InGaAs QDs in silicon and GaAx matrices directly on flat silicon substrate, sitecontrolled growth of (GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs) QDs on pre-patterned Si substrate and the direct growth of GaP on Si using migration enhanced epitaxy (MEE) and MBE growth modes. An efficient ex-situ-buffered HF (BHF) and in-situ surface cleaning sequence based on atomic hydrogen (AH) cleaning at 500 °C combined with thermal oxide desorption within a temperature range of 700-900 °C has been established. The removal of oxide desorption was confirmed by semicircular streaky reflection high energy electron diffraction (RHEED) patterns indicating a 2D smooth surface construction prior to the MBE growth. The evolution of size, density and shape of the QDs are ex-situ characterized by atomic-force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The InAs QDs density is strongly increased from 108 to 1011 cm-2 at V/III ratios in the range of 15-35 (beam equivalent pressure values). InAs QD formations are not observed at temperatures of 500 °C and above. Growth experiments on (111) substrates show orientation dependent QD formation behaviour. A significant shape and size transition with elongated InAs quantum dots and dashes has been observed on (111) orientation and at higher Indium-growth rate of 0.3 ML/s. The 2D strain mapping derived from high-resolution TEM of InAs QDs embedded in silicon matrix confirmed semi-coherent and fully relaxed QDs embedded in defectfree silicon matrix. The strain relaxation is released by dislocation loops exclusively localized along the InAs/Si interfaces and partial dislocations with stacking faults inside the InAs clusters. The site controlled growth of GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs nanostructures has been demonstrated for the first time with 1 μm spacing and very low nominal deposition thicknesses, directly on pre-patterned Si without the use of SiO2 mask. Thin planar GaP layer was successfully grown through migration enhanced epitaxy (MEE) to initiate a planar GaP wetting layer at the polar/non-polar interface, which work as a virtual GaP substrate, for the GaP-MBE subsequently growth on the GaP-MEE layer with total thickness of 50 nm. The best root mean square (RMS) roughness value was as good as 1.3 nm. However, these results are highly encouraging for the realization of III-V optical devices on silicon for potential applications.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.