Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Time Discretization of the SST-generalized Navier-Stokes Equations: Positive and Negative Results

In the theory of the Navier-Stokes equations, the proofs of some basic known results, like for example the uniqueness of solutions to the stationary Navier-Stokes equations under smallness assumptions on the data or the stability of certain time discretization schemes, actually only use a small range of properties and are therefore valid in a more general context. This observation leads us to introduce the concept of SST spaces, a generalization of the functional setting for the Navier-Stokes equations. It allows us to prove (by means of counterexamples) that several uniqueness and stability conjectures that are still open in the case of the Navier-Stokes equations have a negative answer in the larger class of SST spaces, thereby showing that proof strategies used for a number of classical results are not sufficient to affirmatively answer these open questions. More precisely, in the larger class of SST spaces, non-uniqueness phenomena can be observed for the implicit Euler scheme, for two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, for the fractional step theta scheme, and for the SST-generalized stationary Navier-Stokes equations. As far as stability is concerned, a linear version of the Euler scheme, a nonlinear version of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme turn out to be non-stable in the class of SST spaces. The positive results established in this thesis include the generalization of classical uniqueness and stability results to SST spaces, the uniqueness of solutions (under smallness assumptions) to two nonlinear versions of the Euler scheme, two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme for general SST spaces, the second order convergence of a version of the Crank-Nicolson scheme, and a new proof of the first order convergence of the implicit Euler scheme for the Navier-Stokes equations. For each convergence result, we provide conditions on the data that guarantee the existence of nonstationary solutions satisfying the regularity assumptions needed for the corresponding convergence theorem. In the case of the Crank-Nicolson scheme, this involves a compatibility condition at the corner of the space-time cylinder, which can be satisfied via a suitable prescription of the initial acceleration.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

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Oxidation of silicon: further tests for the interfacial silicon emission model

The classical description of Si oxidation given by Deal and Grove has well-known limitations for thin oxides (below 200 Ã). Among the large number of alternative models published so far, the interfacial emission model has shown the greatest ability to fit the experimental oxidation curves. It relies on the assumption that during oxidation Si interstitials are emitted to the oxide to release strain and that the accumulation of these interstitials near the interface reduces the reaction rate there. The resulting set of differential equations makes it possible to model diverse oxidation experiments. In this paper, we have compared its predictions with two sets of experiments: (1) the pressure dependence for subatmospheric oxygen pressure and (2) the enhancement of the oxidation rate after annealing in inert atmosphere. The result is not satisfactory and raises serious doubts about the model’s correctness

A importância da matemática e da modelação matemática no mestrado integrado em ciências farmacêuticas

A Matemática e as Ciências Farmacêuticas encontram-se relacionadas desde há muito, no entanto, foi a partir do séc. XVII, período de notável agitação cultural e científico que os métodos experimentais foram sustentados com cálculos matemáticos. Esta ciência e as técnicas de modelagem matemática tornaram-se numa ferramenta amplamente utilizada, de tal modo, que nos dias de hoje são consideradas como fundamentais na generalidade das profissões e em especial nas Ciências Farmacêuticas. Contudo, para muitos ainda não é vista como fundamental e essencial para a formação de futuros farmacêuticos. Deste modo, pretende-se demonstrar como a Matemática e as técnicas de modelagem se tornaram ao longo dos anos nesta poderosa ferramenta. Quer pelos instrumentos, quer pelas competências que nos proporcionam. Pretende-se também, com recurso aos conteúdos programáticos desta unidade curricular, avaliar se os conhecimentos, sistemas de avaliação e distribuição da carga horária são efetuados de forma homogénea pelas diferentes instituições portuguesas, públicas ou privadas que lecionam o Mestrado Integrado em Ciências Farmacêuticas. Verificou-se que a Matemática é uma ciência plena de capacidades e recursos e que estabelece uma relação interdisciplinar com as Ciências Farmacêuticas. Quer pela componente utilitária, quer pela componente formativa que proporciona. A análise dos conteúdos programáticos demonstra que apesar de serem transversais, as Universidades que não lecionam Sistemas de Equações Lineares e Equações diferenciais deveriam faze-lo e também realizarem um melhor controlo da carga horária por temática.

On the convergence of the no response test

The no response test is a new scheme in inverse problems for partial differential equations which was recently proposed in [D. R. Luke and R. Potthast, SIAM J. Appl. Math., 63 (2003), pp. 1292–1312] in the framework of inverse acoustic scattering problems. The main idea of the scheme is to construct special probing waves which are small on some test domain. Then the response for these waves is constructed. If the response is small, the unknown object is assumed to be a subset of the test domain. The response is constructed from one, several, or many particular solutions of the problem under consideration. In this paper, we investigate the convergence of the no response test for the reconstruction information about inclusions D from the Cauchy values of solutions to the Helmholtz equation on an outer surface $\partial\Omega$ with $\overline{D} \subset \Omega$. We show that the one‐wave no response test provides a criterion to test the analytic extensibility of a field. In particular, we investigate the construction of approximations for the set of singular points $N(u)$ of the total fields u from one given pair of Cauchy data. Thus, the no response test solves a particular version of the classical Cauchy problem. Also, if an infinite number of fields is given, we prove that a multifield version of the no response test reconstructs the unknown inclusion D. This is the first convergence analysis which could be achieved for the no response test.

QUAGMIRE v1.3: a quasi-geostrophic model for investigating rotating fluids experiments

QUAGMIRE is a quasi-geostrophic numerical model for performing fast, high-resolution simulations of multi-layer rotating annulus laboratory experiments on a desktop personal computer. The model uses a hybrid finite-difference/spectral approach to numerically integrate the coupled nonlinear partial differential equations of motion in cylindrical geometry in each layer. Version 1.3 implements the special case of two fluid layers of equal resting depths. The flow is forced either by a differentially rotating lid, or by relaxation to specified streamfunction or potential vorticity fields, or both. Dissipation is achieved through Ekman layer pumping and suction at the horizontal boundaries, including the internal interface. The effects of weak interfacial tension are included, as well as the linear topographic beta-effect and the quadratic centripetal beta-effect. Stochastic forcing may optionally be activated, to represent approximately the effects of random unresolved features. A leapfrog time stepping scheme is used, with a Robert filter. Flows simulated by the model agree well with those observed in the corresponding laboratory experiments.

The Wheal Jane wetlands model for bioremediation of acid mine drainage

Acid mine drainage (AMD) is a widespread environmental problem associated with both working and abandoned mining operations. As part of an overall strategy to determine a long-term treatment option for AMD, a pilot passive treatment plant was constructed in 1994 at Wheal Jane Mine in Cornwall, UK. The plant consists of three separate systems, each containing aerobic reed beds, anaerobic cell and rock filters, and represents the largest European experimental facility of its kind. The systems only differ by the type of pretreatment utilised to increase the pH of the influent minewater (pH <4): lime dosed (LD), anoxic limestone drain (ALD) and lime free (LF), which receives no form of pretreatment. Historical data (1994-1997) indicate median Fe reduction between 55% and 92%, sulphate removal in the range of 3-38% and removal of target metals (cadmium, copper and zinc) below detection limits, depending on pretreatment and flow rates through the system. A new model to simulate the processes and dynamics of the wetlands systems is described, as well as the application of the model to experimental data collected at the pilot plant. The model is process based, and utilises reaction kinetic approaches based on experimental microbial techniques rather than an equilibrium approach to metal precipitation. The model is dynamic and utilises numerical integration routines to solve a set of differential equations that describe the behaviour of 20 variables over the 17 pilot plant cells on a daily basis. The model outputs at each cell boundary are evaluated and compared with the measured data, and the model is demonstrated to provide a good representation of the complex behaviour of the wetland system for a wide range of variables. (C) 2004 Elsevier B.V/ All rights reserved.

Unification of the probe and singular sources methods for the inverse boundary value problem by the no-response test

In this article, we use the no-response test idea, introduced in Luke and Potthast (2003) and Potthast (Preprint) and the inverse obstacle problem, to identify the interface of the discontinuity of the coefficient gamma of the equation del (.) gamma(x)del + c(x) with piecewise regular gamma and bounded function c(x). We use infinitely many Cauchy data as measurement and give a reconstructive method to localize the interface. We will base this multiwave version of the no-response test on two different proofs. The first one contains a pointwise estimate as used by the singular sources method. The second one is built on an energy (or an integral) estimate which is the basis of the probe method. As a conclusion of this, the probe and the singular sources methods are equivalent regarding their convergence and the no-response test can be seen as a unified framework for these methods. As a further contribution, we provide a formula to reconstruct the values of the jump of gamma(x), x is an element of partial derivative D at the boundary. A second consequence of this formula is that the blow-up rate of the indicator functions of the probe and singular sources methods at the interface is given by the order of the singularity of the fundamental solution.

Multi-mode approximations to wave scattering by an uneven bed

Approximations to the scattering of linear surface gravity waves on water of varying quiescent depth are Investigated by means of a variational approach. Previous authors have used wave modes associated with the constant depth case to approximate the velocity potential, leading to a system of coupled differential equations. Here it is shown that a transformation of the dependent variables results in a much simplified differential equation system which in turn leads to a new multi-mode 'mild-slope' approximation. Further, the effect of adding a bed mode is examined and clarified. A systematic analytic method is presented for evaluating inner products that arise and numerical experiments for two-dimensional scattering are used to examine the performance of the new approximations.

Boundary value problems for the N-wave interaction equations

We consider boundary value problems for the N-wave interaction equations in one and two space dimensions, posed for x [greater-or-equal, slanted] 0 and x,y [greater-or-equal, slanted] 0, respectively. Following the recent work of Fokas, we develop an inverse scattering formalism to solve these problems by considering the simultaneous spectral analysis of the two ordinary differential equations in the associated Lax pair. The solution of the boundary value problems is obtained through the solution of a local Riemann–Hilbert problem in the one-dimensional case, and a nonlocal Riemann–Hilbert problem in the two-dimensional case.

An evaluation of different growth functions for describing the profile of live weight with time (age) in meat and egg strains of chicken

A total of 86 profiles from meat and egg strains of chickens (male and female) were used in this study. Different flexible growth functions were evaluated with regard to their ability to describe the relationship between live weight and age and were compared with the Gompertz and logistic equations, which have a fixed point of inflection. Six growth functions were used: Gompertz, logistic, Lopez, Richards, France, and von Bertalanffy. A comparative analysis was carried out based on model behavior and statistical performance. The results of this study confirmed the initial concern about the limitation of a fixed point of inflection, such as in the Gompertz equation. Therefore, consideration of flexible growth functions as an alternatives to the simpler equations (with a fixed point of inflection) for describing the relationship between live weight and age are recommended for the following reasons: they are easy to fit, they very often give a closer fit to data points because of their flexibility and therefore a smaller RSS value, than the simpler models, and they encompasses simpler models for the addition of an extra parameter, which is especially important when the behavior of a particular data set is not defined previously.

A mathematical model of the in vitro keratinocyte response to chromium and nickel exposure

A mathematical model describing the main mechanistic processes involved in keratinocyte response to chromium and nickel has been developed and compared to experimental in vitro data. Accounting for the interactions between the metal ions and the keratinocytes, the law of mass action was used to generate ordinary differential equations which predict the time evolution and ion concentration dependency of keratinocyte viability, the amount of metal associated with the keratinocytes and the release of cytokines by the keratinocytes. Good agreement between model predictions and existing experimental data of these endpoints was observed, supporting the use of this model to explore physiochemical parameters that influence the toxicological response of keratinocytes to these two metals.