Mitarbeiter vom 01.07.1998 bis 30.10.2003
Die vorliegende Dissertation "Einfluss der Erregungsfrequenz beim Sputterprozess" beschäftigt sich mit Untersuchungen zum Einfluss der Anregungsfrequenz und verschiedener anderer Prozessparameter auf das Plasma und die Schichteigenschaften der erzeugten Dünnschichten im Sputterdepositionsprozess.
In verschiedenen Experimenten wurde die Anregungsfrequenz, sowie Prozessdruck und -leistung, variiert und der Sputterprozess bezüglich verschiedener Plasmaparameter, Prozesseigenschaften und der deponierten Schichten charakterisiert. Die Experimente wurden im Rahmen einer Statistischen Versuchsplanung durchgeführt und eine mathematische Beschreibung durch eine Bestimmung von Antwortflächen und Effekten mittels Regression und Varianzanalyse zur Interpratation herangezogen.
Die zur Plasmacharakterisierung verwendeten Parameter basierten auf einer Methode zur Abschätzung charakteristischer elektrischer Potentiale in einer kapazitiv gekoppelten Entladung durch eine elektrische Modellierung. Zur Gewinnung der für die Berechnung notwendigen Basisdaten wurden die Strom- und Spannungsverläufe während des Depositionsprozesses an der Entladung digital aufgenommen und Äuber eine Software ausgewertet. Unterstützend wurden Langmuirsondenmessungen eingesetzt. Als zu deponierendes Material kam NiCrAl, ein ternäres Material für die Herstellung von Dünnschichtwiderständen, zum Einsatz. Die Dünnschichten wurden im Anschluss an die Herstellung elektrisch und morphologisch untersucht. Dabei kamen Verfahren wie Röntgendiffraktometrie, Rasterkraftmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektrometrie zum Einsatz.
Mitarbeiter vom 01.07.1998 bis 30.06.2003
Im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsdruckmesstechnik besteht oftmals die Aufgabe, die Druckdifferenz zwischen zwei Messstellen zu ermitteln. Insbesondere in der Flugmesstechnik werden über Differenzdruckmessungen die Fluglageparameter Geschwindigkeit, Anstell- und Schiebewinkel bestimmt. Die Druckwerte für diese Messungen werden über eine Fünf-Loch-Sonde aufgenommen. In dem "Sonderforschungsbereich 420 - Flugmesstechnik", in dessen Rahmen auch diese Arbeit entstanden ist, sollte ein komplexes Messsystem für die hochdynamische und -präzise Messung von Atmosphärendaten für die Klimaforschung entwickelt werden. Um die hohen an die Sensoren gestellten Anforderungen erfüllen zu können, waren teilweise konzeptionelle Neukonstruktionen erforderlich.
Bei der Druckmessung stellen sich Probleme zum einen durch im Flug auftretende Beschleunigungskräfte, die auch auf die Messmembran der Drucksensoren wirken und somit die Messergebnisse verfälschen. Zum anderen sind die konventionell verwendeten Drucksensoren von ihrer Bauform her so groß, dass sie nur über lange Zuleitungen an die Drucksonden angeschlossen werden können. Das Sensor-Leitungs-System bildet einen Resonator, dessen Resonanzfrequenz mit der Leitungslänge abnimmt. Damit kann das System die dynamischen Anforderungen nicht mehr erfüllen.
In dieser Arbeit wird daher eine Miniaturisierung des Differenzdrucksensors in Silizium-Mikromechanik verfolgt, wodurch die Integration der Sensoren in den Sondenkopf möglich wird. Somit werden nur sehr kurze Zuleitungen benötigt und entsprechend können gute dynamische Eigenschaften erreicht werden.
Bei Differenzdrucksensoren in der konventionellen axialen Bauweise werden zwei Druckkavitäten durch eine Membran getrennt, deren Auslenkung erfasst wird. Im Gegensatz hierzu werden bei dein Planarkonzept, die beiden Druckkavitäten — mit je einer eigenen Membran — lateral nebeneinander angeordnet. Die differenzbildende Kopplung erfolgt über einen Waagbalken, der auf den beiden Membranen aufsetzt und dessen Δp-proportionale Verkippung detektiert wird. Flächennormale Beschleunigungen wirken von Betrag und Richtung her auf beide Membranen beziehungsweise beide Seiten des Waagbalkens gleich — folglich resultiert durch diese Beschleunigungskräfte auch keine Auslenkung aufgrund der Differenzbildung.
Für die Umsetzung dieses Konzeptes wurde die Silizium-Mikromechanik gewählt. da sie die mechanischen Elemente — Kavitäten, Membranen, Balken — bereitstellt und eine weitgehende Miniaturisierung ermöglicht. Weiterhin weist Silizium sehr gute elasto-mechanische Eigenschaften auf und ist chemisch wie auch mechanisch sehr widerstandsfähig. Das ausschlagsanaloge Aufnehmerkonzept wird durch eine piezoresistive Vollbrücke realisiert, deren vier Dehnungswiderstände durch Diffusion in die Dehnungs und Stauchungsgebiete der Membranen integriert werden. In dem Entwurfsstadium des Sensors wurde auf die Finite Elemente Methode zurückgegriffen, um die Dimensionierung der Sensorelemente auf den angestrebten Druckbereich abzustimmen sowie die Lage der DMS zu optimieren.
Die Fertigung des Sensors erfolgt in zwei Teilen: Dem Sensorunterteil mit den Druckkammern und Membranen sowie dein Sensoroberteil mit dem Waagbalken, dessen Drehlager durch einen Torsionsbalken realisiert wird. Die beiden Sensorteile werden abschließend kraftschlüssig mittels eines niedrigschmelzenden Glaslotes miteinander verbunden. Die Strukturen im Silizium werden durch anisotrope Ätzprozesse in KOH erzeugt, unter anderem durch Einsatz eines elektrochemischen Ätzstoppverfahrens zur Definition der Membranstärke.
Der Sensorprototyp wurde an einem Ruska Präzisionsdruckkontroller in einer Klimakammer vermessen: Über einen Messbereich von 0,1 MPa wird eine Auflösung von 3⋅10-4 erreicht. Die Linearitätsabweichungen liegen hierbei unter 0,1%. Im Rahmen der Messgenauigkeit treten keine erkennbaren Hvstereseeffekte auf.
Der entwickelte planare Differenzdrucksensor bietet vielfältige interessante Einsatzmöglichkeiten: Neben der konstruktiven Beschleunigungsinvarianz ermöglicht die planare Bauweise aufgrund der dicht nebeneinander liegenden Druckzuführungen beispielsweise eine einfache hermetische Medienabtrennung. Denkbar ist auch die direkte Integration in die Oberfläche eines Strömungskörpers zur Bestimmung der dort vorliegenden Strömungsverhältnisse.
Mitarbeiter vom 01.08.1994 bis 14.04.2000
Die Bestimmung der Fluglage eines Flugzeuges ist trotz moderner Satelliten- und Trägheitsnavigationssysteme weiterhin auf die Druckmessung angewiesen. Sie ist unverzichtbar bei der Bestimmung des Anströmungszustandes des Flugzeuges, da dieser maßgeblich für den Auftrieb der Tragflächen ist. Ein Teilversagen eines herkömmlichen Drucksensors im Flugzeug ist bei einfacher Redundanz nicht zu erkennen, solange die angezeigten Werte in einem plausiblen Bereich liegen. Ein Ausweg bietet eine Selbstüberwachung des Sensors an.
Fast alle gängigen Druckmesssysteme verwenden das Ausschlagverfahren. Es basiert auf der Auswertung der elastischen Veränderung eines Deformationskörpers unter Druckbeaufschlagung. Der Deformationskörper sollte eine lineare Druck/Verformungs Kennlinie haben, um eine direkte Anzeige oder elektrische Auswertung der resultierenden Verformung zu erleichtern. Die Deformation belastet aber das Material und führt zu plastischen Verformungen und Alterung. Die Kennlinie des Sensors ändert sich dabei stetig. Ein Ausweg besteht darin, die Kraft des Deformationskörpers mittels eines Aktorsystems zu kompensieren und damit die Materialbelastung zu minimieren. Ist die Auslenkung des Deformationskörpers im statischen Zustand vollständig zurückgestellt, so ist das Aktorsignal ein Maß für den anliegenden Druck.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Betrachtungen zur Funktion und Auslegung eines solchen kraftkompensierenden Differenzdrucksensors für die Flugmesstechnik gemacht sowie Untersuchungen an einem Prototypen vorgestellt. Zunächst werden die Grundprinzipien der Strömungsmesstechnik im Flugzeug dargestellt, die Grundlage für den Einsatz des hier vorgestellten Sensors sind. Im Hauptteil der Arbeit werden die Anforderungen an jede der nötigen Teilkomponenten aufgezeigt, verschiedene dafür mögliche Wirkprinzipien diskutiert, die getroffene Auswahl erläutert und vertiefend behandelt. Beim vorliegenden System wird die druckresultierende Deformation, die sich hier in Form einer Auslenkung darstellt, durch ein kapazitives Wegmesssystem aufgenommen und einem DSP-Regler zugeführt. Der Regler steuert dann den elektrodynamischen Aktor, welcher der Deformation entgegenwirkt. Dabei wird. u.a. eine Trägerfrequenzmesselektronik mit rechteckförmigem Trägersignal zur Auswertung des kapazitiven Auslenkungssensors vorgestellt. Einen großen Teil nimmt die Entwicklung des Aktors ein. Hier wird u.a. die Stabilisierung des Magnetkreises mit einem selbstentwickelten Kernspinmagnetometer diskutiert.
Mit Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Druckmessung im Flugzeug werden die Notwendigkeiten und Möglichkeiten der Selbstüberwachung aufgezeigt. Zusätzlich zum reinen Sensorselbsttest wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, mit dem auch die Druckzuleitungen und Druckentnahmebohrungen bei der Staudruckmessung auf ihren einwandfreien Zustand geprüft werden können. Abschließend werden die Messergebnisse an dem experimentell realisierten Differenzdrucksensor mit Selbstdiagnose vorgestellt und dessen Einsatzpotential bewertet.
Mitarbeiter vom 01.09.1997 bis 31.10.2001
Die Forderung der simultan genauen und zeitlich hochauflösenden Messung der Temperatur eines Gases ist mit Schwierigkeiten verbunden. Der Widerspruch wird durch den Einsatz in einer Strömung, vor allem in freier Atmosphäre, noch verschärft — diese Problematik ist in der Flugmesstechnik oft anzutreffen. Im Fall der Temperaturmessung stellt die Aufspaltung der Messkette in einen Präzisions- und einen hochdynamischen Zweig mit der anschließenden Wiedervereinigung durch ein komplementäres Filterpaar einen möglichen Lösungsweg dar.
Als hochdynamischer Temperatursensor zeigt sich die akustische Temperaturmessung, deren Messeffekt in der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit liegt, als geeignetes Verfahren: Messobjekt und Messfühler fallen zusammen und stehen daher stets im thermischen Gleichgewicht miteinander, so dass das verzögernde Verhalten der Wärmekapazität entfällt. Das Verfahren gestattet eine mechanisch sehr robuste Gestaltung, die dem Einsatz in der unfreundlichen Messumgebung „strömende, freie Atmosphäre" entgegen kommt. Zudem lässt sich aus den zur Verfügung stehenden Signalen die Messgröße Strömungsvektor gewinnen.
Die geometrische Gestaltung des sogenannten Dreiachsensensors erfolgte unter strömungs mechanischen und flugtechnischen Aspekten zu einem robusten, aber dennoch hoch dynamischen Instrument. Zur Messwertbildung wird ein dreikanaliges Phasen demodulationsverfahren eingesetzt, welches die kontinuierliche Messung der Schallgeschwindigkeit erlaubt. Zeitbestimmendes Elemente ist vor allem die Laufzeit des Schalls zwischen Sender und Empfänger, so dass Messraten über 1000 pro Sekunde erreicht werden können.
Mitarbeiter vom 01.05.1997 bis 28.02.2001
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Aufbau- und Technologiekonzept für einen neuen Differenz drucksensor für den vorrangigen Einsatz in der Flugmesstechnik entwickelt. Das neue Messprinzip zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es die Kraft zweier in einer Ebene nebeneinander angeordneter Druck-Kraft-Wandler mechanisch, das heißt mittels eines Waagbalkens miteinander vergleicht. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor nur auf den wirklich zu messenden Differenzdruck ausgelegt werden muss. Eine weitere Besonderheit des Konzeptes ist, bedingt durch die laterale Anordnung der Druckkammern, eine weitgehend reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit und zwei auf der selben Seite liegende Druckanschlüsse. Dies ermöglicht zum Beispiel eine Montage direkt auf der Staudrucksonde eines Flugzeuges und so, zwecks Verbesserung der Messdynamik, kürzest mögliche Druckleitungen.
Der neue Δp-Sensor lässt sich auch im kraftkompensierten Modus betreiben in dem die zwei kapazitiven Sensoren sowohl als sensitives, als auch als elektrostatische aktorische Element genutzt werden können. Neben den bekannten metrologischen Vorteilen der kompensatorischen Messtechnik, ist hier die Möglichkeit der Selbstüberwachung hervorzuheben.
Es wurden ANSYS Simulationen zur Druck-Kraft-Wandlung von kreisförmigen Membranen mit Amboss angefertigt, wobei besonderes Augenmerk auf den Einfluss des Radienverhältnisses des Ambosses zu dem der Membran gelegt wurde.
In einem regelungstechnischen Ansatz wurde ein geschlossenes dynamisches Modell des Sensorelementes und der Elektronik entworfen.
Viele Verfahren, die auf der Basis der im Institut vorhandenen Technologien zur Verwirklichung des Konzeptes notwendig waren wurden entwickelt und zur Anwendung gebracht. Dies sind unter anderem dicke photolackschichten als Opferschicht, der galvanisch erzeugte biegesteife Waagbalken aus Kupfer, sowie die Sensorbasiplatte aus fotostrukturierbarem „FOTURAN"-Glas.
Die erforderlichen Elektronik-Baugruppen zur Messung der druckinduzierten Waagbakenverlagerung und ihrer Kompensation durch elektrostatische Anziehungskräfte wurden entworfen und erstellt.
Durch die vorzeitige Beendigung des Sonderforschungsbereiches 420 durch die DFG war es leider nicht mehr möglich die Verfahren besonders im Hinblick auf interne Spannungen hin zu optimieren, so dass die Sensoren nach der Fertigstellung stets rissen.
Aus diesem Grund konnten die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte für Betriebsschaltungen nicht erprobt und verglichen werden.
Anderseits wurde an einem vergrößerten, in feinmechanischer Technik hergestellten Δp-Sensor nach dem neuen lateralen Aufbauprinzip die volle Funktionsfähigkeit dieses Konzeptes nachgewiesen.
Weiterführende Arbeiten sollten in die Richtung gehen, die Schichten dahingehend zu optimieren, dass die Spannungen minimiert werden.
Es wäre auch möglich das Konzept auf der Basis von zwei strukturierten Silizium-Wafern zu verwirklichen. Die Membran könnte durch einen elektrochemischen Ätzstopp realisiert werden. Die Elektroden könnten durch Diffusion in das Silizium eingebracht werden. Und die beiden Wafer könnten am Ende durch anodisches Bonden verbunden werden. Bei dieser realisierung als Silizium Bi-Monolith könnte im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit auf viele etablierte Technologien zurück gegriffen werden.
Mitarbeiter vom 01.07.1988 bis 30.06.1994
Im Jahre 1987 wurde eine neue Klasse von supraleitenden Materialien entdeckt, die oxidischen "Hochtemperatursupraleiter" (HTSL). Ihre Sprungtemperatur liegt zum Teil bei über 90 K, also oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs. Seitdem wird für energietechnische Anwendungen weltweit das Ziel verfolgt, supraleitende Kabel aus diesen an sich spröden und brüchigen HTSL-Materialien herzustellen.
Für energietechnische Leiter zeichnet sich eine geeignete Technologie in der Abscheidung einer dünnen HTSL-Schicht auf einem flexiblen Metallband ab. Dabei dient das Band zum einen als mechanischer Träger der supraleitenden Schicht, die, sofern sie dünn genug ist, eine gewisse Flexibilität gewinnt. Zum anderen übernimmt es im Falle einer Beschädigung der HTSL-Schicht während des Betriebs die Funktion einer elektrischen Überbrückung der schadhaften Stelle und verhindert somit eine weitere Beschädigung durch Überschläge.
Probleme ergeben sich dadurch, dass supraleitende Eigenschaften bei den sehr komplexen Hochtemperatursupraleitern nur dann beobachtet werden können, wenn die Schichten innerhalb enger Grenzen die richtige Stöchiometrie aufweisen.
Abgesehen von der richtigen Stöchiometrie ist für energietechnische Anwendungen eine genügend hohe Stromtragfähigkeit nur dann zu erreichen, wenn die einzelnen tetragonalen Kristallite der Schicht möglichst biaxial, also sowohl c-Achsen als auch in der a-b-Ebene orientiert aufwachsen.
Dabei stellen Kathodenzerstäubungsverfahren interessante, aber nicht einfach handhabbare Methoden dar. So tritt bei der Kathodenzerstäubung meistens ein energetischer Beschuss des Substrats auf, welcher einen erheblichen Einfluss auf die Stöchiometrie und die Textur des Deponats ausübt.
In der vorliegenden Arbeit werden Wege zur Herstellung stöchiometrischer und biaxial texturierter HTSL-Schichten beschrieben. Sie beinhaltet zum einen die Entwicklung und Untersuchung neuer Kathodenzerstäubungsverfahren, die das Partikelbombardement minimieren und zum anderen Verfahren, die ein definiertes Teilchenbombardement des Substrats ermöglichen.
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Mitarbeiter vom 01.02.1997 bis 30.09.1999
Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmals ein faseroptischer Sensor zusammen mit einem metallischen Deformationskörper als Wägezelle für große Kräfte (bis 100 kN) — mit hoher Auflösung und Genauigkeit auf der Basis von Standard Monomode-Glasfaser — realisiert.
Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Verformungszone eines Stauch-/Zug-Stabes eine mehrere Meter lange Glasfaser derart aufgewickelt, dass sie als Sensorarm eines Interferometers bei Belastung eine Dehnung erfährt. Die damit erziehlten Ergebnisser werden vorgestellt und diskutiert.
Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei konventionelle gecoatete Monomode-Glasfasern von mehreren Metern Länge auf den Mantelflächen Des Deformationsringes einer Ringtorsions-Kraftmesszelle unter definierter Zugspannung derart aufgewickelt und aufgeklebt, dass diese beiden Lichtwellenleiter bei Belastung des Deformationskörpers gegensinnige dehnungen erfahren. Sie bilden die beiden aktiven arme eines Michelson-Interferometers, das zum Zweck der passiven Homody-Demodulation mit einem 3x3-Richtkoppler realisiert wird.
unter Verwendung einer stabilisierten Near-Infrareed (NIR)-Laserdiode wird so ein vollständiges Kraftmess-/Wägesystem mit hoher Auflösung und Genauigkeit realisiert. Thermische und Kriechdaten werden präsentiert und diskutiert.
Die wichtigsten Aufgaben bei der Auslegung von Wirbelstromsensoren sind wegen der Vielzahl der auftretenden Einflussgrößen die Unterdrückung der Störgrößen und die Berechnung der Zielgröße aus dem Ausgangssignal des Sensors. In dieser Arbeit werden zwei neue transformatorische Wirbelstromverfahren beschrieben, die eine berührungslose und abstandsunabhängige Messung von Materialparametern ermöglichen. Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass die Regelung der Messfrequenz eine Anpassung an Messobjekte unbekannter Leitfähigkeit erlaubt. Die Auslegung der Sensoren baut auf der ausführlichen Diskussion von simulierten Wirbelstrom- und Feldverteilungen auf. Die Modellierung erfolgt bei Luftspulenanordnungen mit analytischen Verfahren und bei Ferritkernspulen mit der Finite-Elemente-Methode.
Bei Reflexionssensoren stellt der Abstand zwischen Messobjekt und Sensor die wichtigste Störgröße dar. Der vorgestellte Dreispulensensor weist eine wirkungsvolle Abstandskompensation auf, ohne die eine berührungslose Leitfähigkeitsmessung unmöglich ist. Der Sensor kann zur Temperaturmessung eingesetzt werden, aber auch andere Anwendungsfälle, die eine Leitfähigkeitsbestimmung erfordern, sind denkbar. Die Abstandskompensation beruht auf der Anpassung der Radien der beiden Aufnehmerspulen an die Orientierungsumkehr der normalen Feldstärkenkomponente. Beim Abheben des Sensors vom Messobjekt weist die Differenzausgangsspannung ein Extremum auf, in dessen Nähe Abstandsschwankungen eine vernachlässigbare Signaländerung hervorrufen. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der optimale Arbeitspunkt durch die Anpassung der Messfrequenz an den Nulldurchgang der Phase des Ausgangssignals eingestellt werden kann. Messungen mit verschiedenen Sensoren verifizieren die theoretischen Vorhersagen. An einem Aluminiummessobjekt lässt sich dabei eine Temperaturauflösung von 1°C bei Abstandsschwankungen kleiner ±300 µm erreichen. Wirbelstrom-Transmissionssensoren können zur Dickenüberwachung bei der Metallfolienherstellung eingesetzt werden. Die Lage der Metallfolie zwischen den beiden Spulen hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Ausgangssignal. Bisher bekannte Transmissionsverfahren können nur das Produkt von Dicke und Leitfähigkeit bestimmen. Die Leitfähigkeit stellt somit wegen unbekannter Materialzusammensetzung und -temperatur eine gravierende Störgröße dar. Durch die Wahl von Messfrequenzen bei denen die Eindringtiefe der Wirbelströme im Bereich der Foliendicke liegt, ermöglicht das hier beschriebene Verfahren erstmals die getrennte Messung von Dicke und Leitfähigkeit bei nicht ferromagnetischen Werkstoffen. Der Verlauf der Ortskurven für den hohen Frequenzbereich wird anhand von simulierten Ortskurven diskutiert. Aus der funktionalen Abhängigkeit der Ausgangsspannung von Dicke, Leitfähigkeit und Messfrequenz wird ein Inversionsverfahren abgeleitet: Nach der Einregelung eines bestimmten Phasenwinkels durch Frequenzvariation können die beiden gesuchten Größen aus zwei einfachen Gleichungen berechnet werden. Der Frequenzbereich dieses Verfahrens liegt oberhalb der üblicherweise in der Wirbelstrommesstechnik verwendeten Frequenzen, daher treten besondere Anforderungen bei der Auslegung der Spulen auf. Es wird gezeigt, dass durch die Kalibrierung des Spulensystems mit einer Referenzfolie und die Verwendung einer speziellen elektrostatischen Abschirmung zwischen Spule und Messfolie die obere Frequenzgrenze bis zu 60 MHz ausgedehnt werden kann. Messungen mit mehreren Testfolien aus einem Dickenbereich von 10 µm bis 100 µm und Leitfähigkeiten zwischen 1 MS/m und 60 MS/m ergeben eine Messgenauigkeit von ca. 5 % bei der Dicke und ca. 7.5 % bei der Leitfähigkeit.
Mitarbeiterin vom 01.08.1994 bis 15.03.1998
Für die energietechnische Anwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) sind hohe Stromtragfähigkeiten von über 105 A/cm2 notwendig. Das Erreichen dieser Forderung setzt eine möglichst ein kristalline Struktur des Supraleiters voraus, da Korngrenzen und Fehlstellen die kritische Stromdichte empfindlich herabsetzen können. Dem einkristallinen Ideal nahe kommt eine hochgradig bitexturierte polykristalline HTSL-Schicht, die durch epitaktisches Aufwachsen auf einer das ungeordnete Metallsubstrat überdeckenden, hochtexturierten Zwischenschicht entsteht.
Zwei oxidische Materialien, die aufgrund ihrer Gitterkonstante, ihrem Ausdehnungskoeffizienten und ihren thermischen Eigenschaften als Zwischenschichtmaterial zwischen Substrat und dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu307-δ in Frage kommen, wurden untersucht. Dabei handelt es sich um Magnesiumoxid (Mg0) und Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ).
Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Oxide in einem modifizierten Sputterverfahren auf Metallbleche aufgebracht. In Anlehnung an das Verfahren des „unbalanced magnetic field", das insbesondere in der Hartschichtenherstellung eine herausragende Rolle spielt, zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Schicht-Textur von der Magnetfeld-Struktur und -Intensität. Eine ebenso wichtige Rolle spielt der Einfallswinkel der Sputterteilchen auf das Substrat.
Der Versuchsaufbau ist dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Magentron-Magneten im Target ein weiterer Permanentmagnet substratseitig eingesetzt wird. Dieses zusätzliche Magnetfeld beeinflusst signifikant die Morphologie der gesputterten Schicht. Es zeigt sich, dass nur unter dem Einsatz eines in Richtung des Targets weisenden Nordpols (0,1 T) reproduzierbar texturierte Dünnschichten dieser beiden Materialien herstellbar sind. Die Vorzugsrichtung des Mg0 ist dabei eine (220)-Orientierung, bei YSZ ergibt sich eine Vorzugsorientierung in (200)-Richtung. Beide Richtungen erweisen sich als geeignet.
Der Einfluss des zusätzlich substratseitig eingesetzten Magneten ist auch visuell an einer Veränderung der Leuchterscheinung des Plasmas erkennbar: Die Dichteverteilung variiert mit dem eingesetzten Magnetfeld. Um einen Eindruck über das resultierende Magnetfeld im Raum und den Einfluss des substratseitig eingesetzten zusätzlichen Magneten für das resultierende Feld zu erhalten, wurden Magnetfeldmessungen durchgeführt. Dabei wurden die Gesamtfelder mit nach oben weisendem Nordpol und nach oben weisendem Südpol des Zusatzmagenten in Verbindung mit dem Magnetron-Magneten sowie der ausschließliche Einfluss des Magnetron-Magneten im Raum vermessen, um Rückschlüsse auf den Einfluss des Zusatzmagneten zu erhalten.
Der Einfluss des Magneten auf die Dichteverteilung im Plasma wurde mit Hilfe von LANGMUIR-Sondenmessungen aufgenommen. Es wurden wiederum die drei unterschiedlichen Konfigurationen im Raum vermessen für jeweils beide Materialien. Die Auswertung bezog sich zum einen auf die Ionenstättigungsstromdichte, die ein Maß für die Ionendichte darstellt, und das Floating-Potential als Maß für die Ionenenergie.
Für beide Materialien ergaben sich qualitativ vergleichbare Kurvenverläufe für die unterschiedlichen Magnet-Konfigurationen. Im Fall des substratseitigen Nordpols lassen die Messergebnisse die Vermutung zu, dass hier hochenergetische negative Sekundärionen generiert werden, die in einem sehr schmalen Kanal direkt auf das Substrat beschleunigt werden und die gewünschte Textur erzeugen.
Erste Untersuchungen, den Supraleiter YBa2Cu307-δS auf das mit einer Vorzugsrichtung versehen (220)-Mg0 aufzubringen, lieferten vielversprechende Ergebnisse.
Offensichtlich kann mit dem vorgestellten Verfahren mit einfachen Mitteln eine Vorzugsrichtung in einer reaktiv gesputterten Oxidschicht erzeugt werden, die als Zwischenschicht für die energietechnische Anwendung Einsatz finden kann.
Mitarbeiter vom 01.05.1989 bis 30.04.1994
Die großflächige Abscheidung des Hochtemperatursupraleiters Yba2Cu3O7-δ, mittels klassischer Kathodenzerstäubungsverfahren wird durch elementselektives Backsputtem des Deponats verhindert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Identifizierung der für das Backsputtern verantwortlichen Patrikel und Prozesse am Beispiel einer planaren, magnetfeldunterstützten Sputterdepositionsanordnung .
In einfachen ortsaufgelösten Messungen des Wärmestroms, der Stromdichte und der Depositionsraten bildete sich stets die Geometrie der Targeterosion ab. Hiermit konnte die Gültigkeit punktueller Betrachtungen für die gesamte Entladung auch bei Variation der Entladungsparameter festgestellt werden. Dies rechtfertigt die Beschränkung der nachfolgenden Untersuchungen und Simulationen auf eine repräsentative Achse der Entladung.
Zur Identifizierung und Quantifizierung der das Substrat bombardierenden Partikel wurde ein handelsübliches, für die Gasanalyse ausgerüstetes Quadrupol-Massenspektrometer zu einem massenselektiven Gegenfeldanalysator erweitert.
Mit Hilfe dieser Apparatur wurden die das Substrat bombardierenden Partikel als negative Sauerstoffionen identifiziert. Diese Erkenntnis steht im Einklang mit der zeitgleichen Entdeckung anderer Autoren. Aufgrund der gemessenen Ionenenergien kommt als Generationsort nur das Plasma direkt vor der Kathode oder die Kathodenoberfläche selbst in Frage.
Die beim Sputtern betriebene Gasentladung wurde in einem Plasmasimulationsprogramm nachvollzogen. Hierzu wurden die bekannten Attachmentprozesse des Sauerstoffs ebenso wie die real vorgefundene Magnetfeldgeometrie in das Programm integriert. Hiermit ließ sich jedoch die Bildung negativer Ionen an der Kathodenoberfläche nicht nachvollziehen. Diese Tatsache sowie die in flankierenden Untersuchungen festgestellte Abhängigkeit der Generation negativer Ionen vom Targetmaterial identifiziert den Mechanismus der "Sputter-Generation" negativer Ionen als alleinigen Generationsmechanismus.
Bei Erhöhung des Kathodenmagnetfelds wurde eine überproportionale Zunahme des Backsputterns bis hin zu negativen Depositionsraten beobachtet, die mit den bisher veröffentlichten Mechanismen der Sputter-Generation negativer Ionen nicht erklärt werden kann. Eine implizite Magnetfeldabhängigkeit der Generationswahrscheinlichkeit negativer Ionen ist zu vermuten, dies kann jedoch nicht ohne weiterführende theoretische und experimentelle Untersuchungen geklärt werden.
Mitarbeiter vom 01.04.1990 bis 31.03.1995
Ein grundlegendes Problem in der Meeresgeologie ist die Küstenerosion an exponierten Stellen. Wichtig zum Verständnis der Erosionsvorgänge ist die Messung der Sandkonzentration in mehreren Messvolumina im Bereich vom Meeresboden bis etwa einen halben Meter darüber.
Das in dieser Arbeit beschriebene Messsystem verwendet das Impuls-Echo-Verfahren mit Ultraschall: Zur Messung wird ein Ultraschallstrahl von einem Wandler ca. 50 cm über dem Meeresboden ausgesandt und an den Sandkörnern in den einzelnen Höhenlagen (Messvolumina) zurückgestreut. Das empfangene Signal wird, nach Laufzeiten getrennt, bezüglich seiner Amplitude ausgewertet.
Ein Problem ist die Abhängigkeit des zurückgestreuten Signals von der Korngröße: Stimmen Wellenlänge und Korndurchmesser ungefähr überein, so ist die rückgestreute Energie maximal, bei viel kleineren oder viel größeren Sandkörnern ist sie erheblich schwächer. Es besteht also eine Korngrößenabhängigkeit, die jedoch durch Verwendung mehrerer Messfrequenzen umgangen wird.
Die Verwendung von sechs Messfrequenzen (0.67 - 6 MHz) sowie eine verbesserte Signalauswertung erhöhen die Messgenauigkeit gegenüber bisherigen Geräten erheblich. Ferner wird durch einen aufwendigen Auswertungsalgorithmus die sonst relativ hohe Querempfindlichkeit gegen Luftblasen verringert.
Für die Berechnung der Sand- und Luftblasenkonzentration aus den Echointensitäten wird der Nearest-Neighbor-Algorithmus mit guter Leistung und Ausführungszeit eingesetzt.
Simulationen bei verschiedenen Sand- und Luftblasenkonzentrationen zeigen die theoretisch erreichbare Genauigkeit des Messprinzips auf; diese wird nicht durch apparative Unzulänglichkeiten begrenzt, sondern hauptsächlich durch die Fluktuation der Sandkonzentration, die Extinktion des Ultraschallstrahls bei hohen Sandkonzentrationen oder eine zu hohe Luftblasenkonzentration.
Die Messelektronik des Messsystem wurde als kleines, nur 4 l umfassendes Gerät aufgebaut, welches in einem wasserdichten Gehäuse untergebracht ist. Das Gerät befindet sich während der Messungen nahe bei den Ultraschallwandlern im Meer. Die Kommunikation des Gerätes mit der Auswertungsstation an Land geschieht über eine Zweidrahtleitung, die sowohl die Messdaten von der Messelektronik als auch die Versorgungsspannung zur Messelektronik überträgt.
Mit dem beschriebenen Messsystem wurden verschiedene Messreihen im Labor, im Großen Wellenkanal in Hannover sowie auf Sylt durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei kleinen und mittleren Sandkonzentrationen eine relativ hohe Genauigkeit, so dass das Gerät auch für zukünftige Messungen wertvoll sein wird.
Detaillierte Betrachtungen wurden durchgeführt zur möglichen Anwendung von Spreizbandverfahren, zu Fehlerquellen, zur Auswertung von Signalen aus dem Nahfeld der Wandler, zur Kompensation der Extinktion durch Sand und zur Störung der Messergebnisse durch Luftblasen. Diese Betrachtungen gelten zumeist nicht nur für das hier beschriebene Messsystem sondern für die Ultraschall-Messung von suspendiertem Sand allgemein.
Mitarbeiter vom 15.06.1990 bis 31.08.1995
Das in dieser Arbeit vorgestellte neue 2-Lagen-Photolithographie-Verfahren stellt erstmalig eine Methode dar, mit der zwei aufeinanderfolgende Strukturierungsschritte, für die normalerweise zwei einzelne Standard-Chrommasken erforderlich wären, mittels einer einzigen Doppel-Photomaske erfasst werden können.
Die Doppel-Photomaske enthält neben den üblichen metallischen und transparenten Bezirken noch Farbfilter-Bereiche. In diesen Farbfilter-Bereichen ist die Strukturinformation der zweiten Chrommaske gespeichert. Belichtet wird durch diese DoppelPhotomaske ein 2-Lagen-Positivresist-System, das aus einem untenliegenden UVA- und einem darüber angeordneten UVC-empfindlichen Resist besteht. In den FarbfilterBereichen wird nur der untere Photolack belichtet, während der obere Photolack unbelichtet bleibt. Auf diese Weise wird bei einem ersten Entwicklungsschritt der UVAResist zusammen mit dem UVC-Resist nur in den transparenten Bereichen der Doppel-Photomaske entwickelt, da er in den Farbfilter-Bereichen von dem unbelichteten UVC-Resist geschützt wird. Das so verborgene Muster der zweiten Chrommaske kann zu einem späteren Zeitpunkt durch Abtragen des oberen Photolackes, verbunden mit einer anschließenden Entwicklung, genutzt werden. Es ist also keine Belichtung durch eine zweite Maske erforderlich!
Die Quintessenz des Tandem-Verfahrens liegt darin, dass das Problem der Justierung der Photomasken untereinander auf die Herstellung einer Doppel-Photomaske transferiert wird, das heißt bei einer einwandfreien Doppel-Photomaske gibt es a priori keine Abweichungen von der gewünschten Struktur mehr.
Ein typisches Handikap eines 2-Lagen-Resist-Systems ist die Ausbildung einer in beiden Entwicklern unlöslichen Grenzschicht: Beim Aufschleudern des oberen Photolackes greifen dessen Lösungsmittel den unteren Photolack an und führen zu einer Vermischung der Resists. Durch geeignete Wahl der Prozessparameter kann die Dicke der Vermischungsschicht (Scum-Schicht) minimiert werden.
Beim Tandem-Verfahren kommt noch eine zusätzliche Erschwernis hinzu: UVA-empfindliche Photolacke auf Novolak-Basis vernetzen an ihrer Oberfläche bei Absorption von UVC-Strahlung, das heißt es bildet sich beim Belichten des PMMA-Resists eine zusätzliche, in beiden Entwicklen unlösliche Zwischenschicht.
Die in dieser Arbeit verwendete Resist-Kombination PMMA / KTI 809 liefert vergleichsweise geringe Scum- und Vernetzungsschichten, die sich in einem Plasma-Ätzschritt leicht wieder entfernen lassen. Nichtsdestotrotz verringert das Auftreten dieser unlöslichen Grenzschichten das erreichbare Auflösungsvermögen des Resist-Systems PMMA / KTI 809.
Mit dem in dieser Arbeit verwendeten Belichtungsaufbau lassen sich für das Tandem-Verfahren Auflösungen bis ca. 10 µm reproduzierbar erreichen. Eine Auflösungssteigerung auf ca. 4 µm mittels eines erhöhten Aufwandes an Parallelität der Belichtungsstrahlung ist denkbar.
Für viele Anwendungen, insbesondere bei der Herstellung von Dünnfilmsensoren (z.B. Dehnungsmessstreifen), reicht eine Auflösung von mindestens 10 µm völlig aus, so dass insbesondere bei großen, flexiblen Substraten der Vorteil des Tandem-Verfahrens — die Vermeidung von Masken-Justierproblemen — genutzt werden kann.
Mitarbeiter vom 01.01.1989 bis 31.03.1994
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Wirbelstromsensorsystem zur elektronischen Kompensation des Ecklastfehlers bei Präzisionswaagen aufgebaut und untersucht. Als Ecklastfehler wird die Differenz zwischen dem wahren Gewicht und dem angezeiten Gewicht bezeichnet. Er tritt in Erscheinung, wenn der Schwerpunkt der Last nicht über dem Mittelpüunkt der Waagschale bzw. über dem Verbindungspunkt zwischen Waagschale und Lastträger liegt. Die Ursachen für die Entstehung von Ecklastfehlern sind eine nichtideale Parallelogramm-Führung sowie parasitäre Deformation des Rahmens. Ein unsachgemäßer Transport beeinflusst ebenfalls den Ecklastfehler.
Ziel dieser Arbeit war es, das übliche aufwändige mechnisch-manuelle Bearbeiten der Parallellenker und des Systemträgers durch eine zusätzliche Sensorik zur Bestimmung des fehlverursachenden Ecklast-Momentes zu ersetzen. Die Erfordernis der individuellen Bestimmung des Roh-Ecklastfehlers jeder Waage bleibt naturgemäß bestehen.
Die Erfassung des parasitären Lastmomentes erfolgt durch Bestimmung der Waagschalen-Verkippung, wobei der vertikale Träger der oberschaligen Waage eine zusätzliche biegeelastische Schwachstelle erhält. 4 orthogonal unter der Waagschale positionierte Wirbelstromsensoren bestimmen diese Verkippung über eine vertikale Abtstandsänderung.
Die Flachspulsensoren bieten gegenüber den Topfkernsensoren eine höhere Auflösung, weisen aber eine stärkere Nichtlinearität der Kennlinie auf. Durch eine Linearisierung der Kennlinie kann dieser Nachteil ausgeglichen werden. Die verwendeten mathematischen Algorithmen wurden auf den in der Waage verwendeten Milcroprozessortyp abgestimmt.
Die elektrische Umsetzung der Weg- bzw. Induktivitätsänderung erfolgte mit Hilfe von LC-Oszillatorschaltungen. Sie weisen ein hohes Signal/Rauschverhältnis auf und sind einfach zu realisieren.
Unter Verwendung der während der Kalibrierung ermittelten Koeffizienten kann der Ecklast-fehler numerisch korrigiert werden. Mit einer schrittweisen Verbesserung über 26 Stützstellen und einer aus der Waagenanzeige abgeleiteten Gewichtungsfunktion wurden folgende Daten erreicht: Der Ecklastfehler beträgt für die vorliegende unkorrigierte Waage 1,5 %o der Last. Dies entspricht bei einer Belastung von 5 kg einem maximalen Ecklastfehler von ± 7,5 g. Der übriggebliebene Restecklastfehler nach elektronischer Kompensation beträgt ± 0,08 g. Dies bedeutet bezogen auf eine Last-von 5 kG einen Restecklastfehler von 16 ppm.
Mitarbeiter vom 01.07.1987 bis 31.07.1992
In der modernen Regelungstechnik werden zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens von Regelstrecken häufig parametrische Identifizierungsverfahren eingesetzt. Da es sich bei der Bestimmung des Übertragungsverhaltens eines passiven Sensors um eine analoge Messaufgabe handelt, entstand die Idee, ein spezielles parametrisches Identifizierungsverfahren zur Bestim mung der Messgrösse(n) eines passiven Sensors einzusetzen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein derartiges, digitales Messverfahren für passive Sensoren vorgestellt, und seine Eigenschaften werden bei resistiven und induktiven Messobjekten unter sucht. Im folgenden soll das Verfahren kurz DADM-(direkt abtastendes digitales Mess-)Verfahren genannt werden.
Charakteristisch für das DADM-Verfahren sind die direkte Abtastung des Sensorsignals sowie die zeitdiskrete Beschreibung des elektrischen Übertragungsverhaltens des Sensors. Daraus resultiert ein minimaler schaltungstechnischer Aufwand an analoger Hardware. Der Schwerpunkt des Messverfahrens liegt in der speziellen digitalen Signalverarbeitung. Im Gegensatz zu etablierten Messverfahren für passive Sensoren, die meist sinusförmige Anregungssignale einsetzen, werden aufgrund der zeitdiskreten Beschreibung beim DADM-Verfahren zeit- und amplitudendiskrete Signale zur Anregung benutzt.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Arbeit ist, das DADM-Verfahren unter praktischen Messbedingungen zu untersuchen. Dazu wurde ein kompletter Labormessplatz entwickelt und aufgebaut. In der Simulation können synthetische Messobjekte vorgegeben werden, um die damit gewonnenen Messergebnisse mit den praktisch erzielten Messergebnissen vergleichen zu können.
Als Anwendungsbeispiele wurden ein induktiver Abstandssensor in Einzelanordnung sowie eine Differentialdrossel in Brückenanordnung untersucht. Resistive Messobjekte dienten zur Untersuchung spezieller Eigenschaften. Insbesondere die erzielbare Auflösung in Abhängig keit von vorgebbaren Parametern sowie die Entstehung und Auswirkung systematischer Fehler auf das Messergebnis sind Gegenstand der Untersuchung. Das praktische Anwendungs beispiel eines induktiven Abstandssensors in Einzelanordnung zeigt die Leistungsfähigkeit des DADM-Verfahrens als Basis zur Konzipierung eines "intelligenten" Sensors.
Mitarbeiter vom 01.02.1985 bis 30.06.1991
Die vorliegende Dissertation versucht, mit Hilfe klassischer elektrochemischer Methoden in Verbindung mit hydrodynamischen Anordnungen (rotierende Scheibe, Kanalströmung) eine Alternative zu den etablierten physikalischen Methoden der Oberflächenanalyse zu entwerfen.
Gedankliche Ausgangspunkte sind zum einen die prinzipiell hohe Empfindlichkeit elektrochemischer Methoden im Hinblick auf den Nachweis und die quantitative Bestimmung von Metallionen (wie sie durch anodische Auflösung der zu untersuchenden Probe enststehen), zum anderen die Tatsache, dass in den genannten hydrodynamischen Anordnungen sich im Falle laminarer Strömungsverhältnisse mathematisch genau beschreibbare Transportprozesse erzeugen lassen, die im hier interessierenden Zusammenhang die Möglichkeit einer geometrisch lateral aufgelösten Oberflächenanalyse ("Elementverteilungsbild" ) bieten.
Der hier ausgearbeitete Entwurf sieht dabei für die Analyse einer gegebenen metallischen Probe mehrere Schritte vor, die in den einzelnen Kapiteln ausgeführt werden: Zunächst wird mit Hilfe einfacher Techniken versucht, die qualitative Zusammensetzung der Probenoberfläche zu ermitteln. Anschließend wird auf einer zweiten (inerten) Elektrode (die Probe wird teilweise anodisch aufgelöst) gezielt nur eine metallische Komponente abgeschieden.
Die dabei auftretenden Fragen (beispielsweise Einfluss der lateralen Struktur auf den Metallniederschlag an der zweiten Elektrode) werden anhand numerischer Simulationen des Stofftransports diskutiert.
Zur Bestimmung der lateralen Metallverteilung auf der inerten Elektrode wird das dort zuvor abgeschiedene Metall wieder anodisch aufgelöst, wobei die dabei erzeugten Ionen an Nachweiselektroden in einer der hydrodynamischen Anordnungen abgeschieden werden.
Aus der Analyse der Ströme an den Nachweiselektroden lässt sich daraufhin die laterale Elementverteilung auf der Elektrodenoberfläche bestimmen.
Das Schwergewicht der Arbeit liegt in der numerischen Berechnung des Stofftransports in den Strömungsanordnungen, wobei insbesondere die Frage der erzielbaren lateralen geometrischen Auflösung diskutiert wird. Im experimentellen Teil werden die Transportvorgänge jeweils im Hinblick auf eine der beiden Oberflächenkoordinaten untersucht.
Mitarbeiter am Institut vom 20.05.1985 bis 30.11.1990
Die Entwicklung von Aufnehmerelementen, Aufnehmern, Sensoren und Sensorsystemen beruht auf der interdisziplinären Auseinandersetzung mit den Bereichen Feinwerktechnik, Werkstofftechnik und Elektrotechnik. In Kapitel 1 werden die Grundlagen kapazitiver Messaufnehmer und die Untersuchung und Entwicklung von Messschaltungen dargestellt. Das Kapitel 2 zeigt konstruktive, mechanische Elemente von Aufnehmern als ausgewählte Beispiele. Im Kapitel 3 werden zwei Sensorsysteme mit kapazitiven Wandlungsprinzipien entwickelt und beschrieben. Außer der Technik der Aufnehmer selbst ist hier vorallem die Zusammengehörigkeit mit der Auswerteschaltung zu betrachten.
Im Kapitel 1 wird die Art der Messgrößenwandlung systematisiert. Unter diesen Gesichtspunkten werden bekannte Möglichkeiten der elektronischen Messsignalverarbeitung geprüft und bewertet. Aus dieser Gruppe wurde eine Schaltung unter Verwendung eines HF-Oszillators ausgeführt und analysiert. Als neues Prinzip wird eine Schaltung nach dem sogenannten "Spannungsrampenverfahren" vorgestellt. Die Messelektronik bezieht einen Mikrorechner zur Signalverarbeitung und Steuerung des Messablaufs mit ein, wodurch sich alle Vorteile digitaler Signalverarbeitung nutzen lassen.
Im Kapitel 2 wird die Untersuchung von "Labyrinth-Federn" vorgestellt. Dabei handelt es sich um flächige, kreisförmige aus Blechen durch Ätztechnik hergestellte, Federelemente. Neben der messtechnischen Auswertung der einfachen mechanischen Parame ter einer ganzen Gruppe von Federn wird die Darstellung der Verformungsvorgänge mit Hilfe der holographischen Interferometrie dargestellt. Entsprechende Messeinrichtungen wurden dazu entwickelt und angewendet.
Der zweite Teil des Kapitels 2 zeigt die Entwicklung von sogenannten "Progressiv-Federn" zur Umsetzung dynamometrischer Größen wie Kraft oder hydraulischen Druck in einen mechanischen Weg oder eine mechanische Dehnung. Dabei stehen folgende Ziele im Vordergrund: — Verringerung des Messwegs, — Erhöhung der Eigenresonanz mit zunehmender Belastung (Einstellzeit ), — Verbesserung des Überlastverhaltens, — konstante, relative Messabweichung. Als Beispiel wird die Entwicklung einer Doppelkniefeder gezeigt.
In Kapitel 3 wird als Sensorsystem die Entwicklung eines "kapazitiven Druckaufnehmers mit elektrostatischer Kraftkompensation" gezeigt. Dabei werden alle Messabwei-chungen eleminiert, die von der Mechanik der Membran verursacht werden.
Das Kapitel 3 beschreibt auch die Ausführung eines "inkrementalen, kapazitiven Wegaufnehmers mit periodischer Elektrodenstruktur" unter Verwendung des neuen Spannungsrampenverfahrens. Bei einer Messlänge von ca 1,26 m wird eine Auflösung von 25 µm erreicht (40 000 Inkremente pro Meter).
Mitarbeiterin vom 01.06.1987 bis 31.05.1992
In der Technik herrscht ein wachsender Bedarf an Sensoren für die unterschiedlichen Messbereiche und Einsatzgebiete. Die Tendenz zur Miniaturisierung, auch im Zusammenhang mit "micromachining", und zur Integration sämtlicher Sensorkomponenten auf einem Chip schreitet immer weiter fort. Besonders bei den Halbleitersensoren ist die Entwicklung zu erkennen. Ständig neue Anforderungen führten von der konventio nellen Bulk-Siliziumtechnologie hin zu dünnen mono- und polykristallinen Schichten in Kombination mit verschiedenen Substraten.
Durch die Wahl neuer Werkstoffe und ihrer Kombinationen können Sensoren auch für extreme Anwendungsbereiche entwickelt werden. Neben den konventionellen metallischen Federwerkstoffen über Halbleiter bis hin zu Edelsteinen finden die unterschiedlichsten Materialien ihren Einsatz.
Frühere Untersuchungen am Institut für elektrische Messtechnik haben auf das geringe Kriechverhalten von Saphir hingewiesen. Durch verbesserte Messmethoden konnte im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der Parameter: Herstellungsverfahren, Orientierung und Oberflächenbehandlung auf das anelastische Werkstoffverhalten von Saphir detek tiert werden.
Der Einatz von Saphir als Federelement eines dynamometrischen Sensors erfordert eine materialschonende und die mechanischen Eigenschaften erhaltende Bearbeitungsmöglich keit. Unterschiedliche Technologien (abrasiv, chemisch, plasmachemisch und mit Lasern) werden hinsichtlich des Zeitaufwandes, der anfallenden Kosten und der Auswirkung auf die Kristalleigenschaften charakterisiert.
Die Sensorentwicklung erfordert neben dem Federelement aus Saphir einen Rahmen, sowie eine elektrische Signalgenerierung. Verwendung findet SOS-Material (silicon-on-saphire), das unter Berücksichtigung des piezoresisitven Effektes des Silizium eingesetzt wird. Das mechanische Verhalten wird über eine Vollbrückenschaltung von Silizium Dehnungsmessstreifen erfasst. Die Einbindung der Biegefeder wird mit dem eutektischen Lot AISi realisiert.
Die Konzeption des Kraftsensor (10 N) basiert auf einer momentenfreien Biegefederlagerung. Der Sensor weist eine ausgezeichnete Linearität aus und ist bis 400 °C einsetzbar.
Mitarbeiter vom 01.05.1984 bis 30.04.1989
Die Genauigkeit dynamometrischer Sensoren wird häufig durch das Kriechen des Federkörpers begrenzt. Dabei spielt neben dem verwendeten Federmaterial und der Temperatur auch der Dehnungsgradient der Belastung eine Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieser Geometrieeffekt an dünnen Biegebalken aus gebräuchlichen Federwerkstoffen unterschiedlicher Gefügestruktur (CuBe2, TiAl6V4, Quarzglas, Silizium) systematisch untersucht. Die verschieden dicken Balken ( 0 < d s 1.5 mm) wurden mittig so belastet, dass die maximale Oberflächendehnung bei allen Versuchen bei 0.3 · 10-3 ( im anelastischen Bereich) lag. Der Gradient der Belastungsdehnung nahm somit mit abnehmender Probendicke zu. Nach der Entlastung wurde die zeitabhängige Restdurchbiegung ( elastische Nachwirkung ) der Biegebalken mit einem berührungsfreien laseroptischen Wegaufnehmer gemessen. Eine Versuchsreihe bestand aus bis zu 20 Messzyklen mit jeweils einer 30 minütigen Belastungs- und Enlastungsphase. Es wurde ein neuartiger Versuchsaufbau mit getrennten Auflagern für Verformung und Entlastungsmessung entwickelt, mit dem äußerst geringe systematische Messfehler und Wegauflösungen von unter 1 nm erzielt werden konnten. Bei der Probenpräparation konnten durch Anwendung spezieller Formgebungsverfahren herstellungsbedingte Texturen innerhalb der Biegebalken und Unterschiede in der Materialzusammensetzung auf ein Mindestmaß reduziert werden. Die Auswertung der gemessenen Retardationskurven erfolgte durch rechnerische Anpassung von Modellfunktionen, die auf der Theorie des anelastischen Standardkörpers basierten. Dabei wurde ein nichtlineares Optimierungsverfahren angewendet, das abgestuft mit einem sicheren Fit-Algorithmus (Simplex bzw. Extrem) und anschließend mit dem schnellen Newton-Raphson-Verfahren arbeitete. Die beste Übereinstimmung mit den Messdaten wurde mit 7-Parameter-Theorie- funktionen erreicht, die zwei unabhängige Relaxationsprozesse mit jeweils lognormal verteilten Relaxationszeiten berücksichtigten. Durch Begrenzung des Variationsbereichs der beiden Verteilungsparameter β1 und β2 konnten eindeutige Fitergebnisse erzielt werden.
Bei allen untersuchten Federwerkstoffen zeigte sich eine deutliche Dickenabhängig- keit der elastischen Nachwirkung. Die Fits lieferten eine entsprechend starke (exponentielle) Zunahme der Relaxationsstärken, die bei einer Verringerung der Probendicke von 1.5 auf 0.3 mm bis zu einem Faktor 40 (!) ausmachte. Dagegen war sowohl bei den Relaxationszeiten als auch bei den β-Parametern nur ein geringer Dickeneffekt feststellbar. Bei allen Werkstoffen ergab sich eine lange Relaxationszeit im Bereich von 300-1200 s und eine kurze in der Größenordnung von 10 s. Als mögliche Ursachen der Dickeneffekte wurden der mit abnehmender Balkendicke zunehmende Dehnungsgradient und der bei den dünneren Balken erhöhte Einfluss der gestörten Oberflächen diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass bei den polykristallinen, metallischen Werkstoffen der Einfluss des Dehnungsgradienten überwiegt. Bei den monokristallinen Si-Proben spricht dagegen einiges dafür, dass die Ursache der Dickeneffekte in erster Linie in einer starken Erhöhung der Relaxationsstärke innerhalb der Oberflächenschichten als Folge von herstellungsbedingten Störungen liegt. FEM-Rechnungen mit einem Sandwich-Modell lieferten eine mit den Fitergebnissen vergleichbare Dickenabhängigkeit der Relaxationsstärke.
Mitarbeiter am Institut vom 01.04.1982 bis 31.01.1988
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung eines neuen Verfahrens zum Ausheilen von Kristallschäden in Halbleitern, das in der angelsächsischen Literatur als "flash - annealing" bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um ein Ausheilverfahren, bei dem eine durch vorhergehende Prozessschritte geschädigte Halbleiteroberfläche durch kurzzeitige Bestrahlung mit Blitzlampen so weit erwärmt wird, dass diese thermisch rekristallisiert. Ziel dieser Arbeit ist es, die technischen Grenzen aufzuzeigen und Lösungsmöglichkeiten für eine industrielle Nutzung des Verfahrens aufzuzeigen.
Hierzu werden zunächst die Probleme skizziert, die bei dem konventionellen Ausheilverfahren, dem Tempern in einem Ofen, auftreten. Im Anschluss daran wird eine Übersicht über die in der Literatur behandelten Kurzzeitrekristallisationsverfahren - laser annealing, flash annealing, rapid thermal annealing - gegeben. Den Einfluss unterschiedlicher Stoffparameter auf die Erwärmung von Halbleitern bei kurzzeitiger Bestrahlung mit inkohärentem Licht zeigt die im folgenden Abschnitt dargestellte thermodynamische Modellrechnung, die die Leistungsanforderungen an eine Apparatur zur Kurzzeitrekristallisation deutlich macht.
Es folgen prinzipielle Überlegungen zur technischen Ausführung einer geeigneten Apparatur, auf deren Grundlage dann eine erste Versuchsanordnung zur Erzeugung von Lichtblitzen von 2 µs Dauer entwickelt wird. Die hierfür verwendete Blitzlampe, eine eng gefaltete Kapillare, wird hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften untersucht. Die Versuchsergebnisse bilden die Grundlage für eine im folgenden Abschnitt dargestellte zweite Versuchsanordnung, mit der Lichtblitze längerer Dauer erzeugt werden. Nach der Darstellung der elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Anordnung werden die zur Rekristallisation von Germanium- und Siliziumproben durchgeführten Versuche beschrieben und ausgewertet.
Es zeigt sich, dass dünne Schichten aus amorphem Germanium und Silizium mit der verwendeten Blitzlampenanordnung großflächig rekristallisiert werden, während eine Aktivierung von Dotierionen bei ionenimplantierten Siliziumscheiben nicht nachgewiesen wird. Eine hierfür erforderliche Steigerung der Leistungsfähigkeit der Anlage ist aufgrund des modularen Aufbaus der Apparatur jedoch prinzipiell möglich. Es ist also zu erwarten, dass das Verfahren nach einer Erweiterung der Apparatur technisch eingesetzt werden kann.
Den Abschluss der Arbeit bilden eine Zusammenstellung häufig verwendeter Formelzeichen, ein Literaturverzeichnis und ein Anhang, der eine Beschreibung des zur Strahlungsmessung verwendeten Mess-aufbaus und Bilder zu den einzelnen Abschnitten der Arbeit sowie einen Ausdruck des für die thermodynamische Modellrechnung ver wendeten Rechenprogramms enthält.
Mitarbeiter vom 01.05.1979 bis 30.04.1984
Bei vielen Präzisionskraftaufnehmern wird die Genauigkeit bestimmt durch die Anelastizität des verwendeten Federwerk stoffs, die als "Kriechen" bzw. "elastische Nachwirkung" in Erscheinung tritt. Für eine gezielte Werkstoffauswahl beim Aufnehmerbau ist es daher wichtig, die anelastischen Eigen schaften von Materialproben messtechnisch zu erfassen.
In der vorliegenden Arbeit werden zwei Versuchsaufbauten vorgestellt, mit denen das Kriechverhalten unterschiedlich geformter Werkstoffproben gemessen werden kann. Bei den Proben handelt es sich einerseits um hantelförmige, hohlgebohrte Stauchstäbe und zum anderen um kleine brettförmige Biegebalken, die beidseitig aufliegen und in der Mitte durchgebogen werden. Die Verformung wird mit einem induktiven Wegmesssystem erfasst, dessen Auflösungsgrenze in der Größenordnung von 1nm liegt (bei 1 Messung/s). Die Messung derart kleiner Wegänderungen setzt voraus, dass der Versuchsaufbau extrem temperaturstabil ist, bzw., dass kleine Temperaturschwankungen genau gemessen und rechnerisch kompensiert werden können.
Für den Biegebalken-Aufbau wird eine ganze Reihe von Ergebnissen vorgestellt, die bei Kriechmessungen an Proben aus Kupferberyllium, Aluminium, Thermelast, Silizium, Germanium, Saphir, Quarzglas, Hartglas BaK50 und Aluminiumoxidkeramik erzielt wurden. Bei einigen Proben wird auch auf den Einfluss von Wärmebehandlung und Belastungsvorgeschichte auf das Kriechverhalten eingegangen. Es hat sich herausgestellt, dass die monokristallinen Werkstoffe (Saphir, Germanium, Silizium) die geringsten elastischen Nachwirkungen aufweisen, wobei Saphir als einziges der untersuchten Materialien praktisch nachwirkungsfrei ist.
Zur analytischen Beschreibung der gemessenen Kriechkurven wurden Approximationsversuche mit verschiedenen Näherungs funktionen unternommen. Als geeignete und physikalisch sinnvolle Approximationsfunktion hat sich die Summe aus zwei Exponentialtermen herausgestellt, bei denen die Zeitkonstanten jeweils der "Lognormal-Verteilung" unterliegen (Normalverteilung für 1n(t)).
Mitarbeiter vom 01.04.1981 bis 31.03.1986
Das Gebiet der "Optischen Sensorik", das sich mit der Gewinnung von Messwerten physikalischer oder elektrischer Größen mit Hilfe optischer Effekte befasst, hat in den letzten Jahren — initiiert durch den Einsatz von Lichtwellenleitern in der Datenübertragung und die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente — große Aktualität erlangt, da durch die Verwendung von Licht sowohl eventuellen Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolation der Messstellen als auch speziellen Belangen des Explosionsschutzes leicht Rechnung getragen werden kann. Ohne einheitliche Nomenklatur werden in einer Reihe von Publikationen zur Zeit vielfältige Vorschläge zur Realisierung sog. "Optischer Sensoren" veröffentlicht.
So wird in der vorliegenden Arbeit zunächst auf die Entstehung und die speziellen Eigenschaften der optischen Sensorik eingegangen; anhand von Literaturbeispielen wird der Begriff der "Optischen Sensorik" eingegrenzt. In Analogie zum elektrischen "Sensor" wird die optische Sensorik als ein mit aktueller Herstellungs- wie Anwendungsphilosophie behaftetes Teilgebiet der Messtechnik betrachtet.
Die Arbeit befasst, sich mit zwei Konzepten optischer Sensoren und dazugehöriger Messket.ten, denen in der Fachliteratur gute Chancen zugeschrieben werden, über die theoretische Möglichkeit hinaus praktische Bedeutung zu erlangen.
In einem Hauptabschnitt werden Sensoren nach dem Prinzip der sog. "Lichtwellenleiter-Spiegel-Anordnung" betrachtet; von Sensoren nach diesem intensitätsanalogen Prinzip kann eine wenig aufwendige Realisierung erwartet werden. Obwohl eine theoretische Simulation eines derartigen Sensors wichtige Hinweise zur praktischen Realisierung geben kann, sind bekannte theoretische Ansätze zum Verständnis optischer Sensoren unbefriedigend. Es wird daher — ausgehend von bekannten Gedankengängen — ein theoretisches Modell erarbeitet. Die Gültigkeit der Modellvorstellungen wird demonstriert.
Dieses mathematische Modell dient als Grundlage für zwei Realisierungen einer optisch-elektronischen Messkette mit Lichtwellenleiter-Spiegel-Sensoren. Für beide Messketten werden der eigentliche optische Sensor, eine optoelektronische Anpasserstufe, die Durchführung einer Kalibriermessung sowie die Eigenschaften der Messkette dokumentiert.
Ein zweiter Hauptabschnitt befasst sich mit einer interferometrischen Temperaturmesskette. Im Rahmen der optischen Sensorik sind wegen ihres kompakten Aufbaus vor allem die sog. "FabryPerot-Interferometer" interessant. Es wird eine verallgemeinerte Fassung der bekannten Interferenzgleichung von Airy vorgestellt, die die theoretische Betrachtung nicht an Spezialfälle gebundener Interferometer erlaubt.
Grundlage der Temperaturmesskette bilden physikalische Effekte in Festkörpern zur temperaturabhängigen Änderung der sog. "optischen Wegdifferenz" eines Interferometers. Ein rechnergestütztes Auswertungsverfahren unter Verwendung divergenten Lichts zweier Wellenlängen erlaubt so mit Hilfe einer Koinzidenzrechnung eine nichtperiodische, durch Interpolation bezüglich der Auflösung verbesserte interferometrische Temperaturmessung.
Die realisierte Messkette wird dokumentiert und die Struktur des erstellten Auswertungs- und Interpolationsprogramms, das die Extraktion der Temperaturmesswerte aus dem periodischen Ausgangssignal des Interferometers vornimmt, wird beschrieben. Eine Vergleichsmessung mit einer elektrischen Referenzmesskette mit Platin-Widerstandsthermometer wird vorgestellt; die Eigenschaften der realisierten Messkette werden aufgeführt.
Eine Zusammenfassung, eine Liste der Formelzeichen, ein Verzeichnis der Bilder sowie ein Literaturverzeichnis schließen die Arbeit ab.
Mitarbeiter am Institut vom 01.09.1978 bis 30.09.1984