Abgeschlossene Arbeiten_zum_testen

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

– Kurzzusammenfassung:

Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, Möglichkeiten zu finden, Dünnschichttransistoren (TFT), Kondensatoren und Widerstände auf flexiblen Substraten herzustellen und deren elektrische Eigenschaften anschließend mit denen auf Silizium- und Glassubstraten zu vergleichen. Es wurden sowohl freitragende Polymerfolien, als auch auf Siliziumscheiben aufgebrachte (geträgerte) Polymermembranen und -folien getestet. Auf den geträgerten Substraten wurden eine Klebefolie und eine Opferschicht aus Polyvinylakohol auf ihre Adhäsions- und Ablöseverhalten getestet. Außerdem wurde der Einfluss der Substrate auf die Lithographie eines Lackes genauer untersucht. Dazu wurden die Strukturbreiten von Leiterbahnen auf dem Lack miteinander verglichen. Nachdem ein geeigneter Prozess gefunden war, konnten die spezifischen elektrischen Charakteristika der Bauelemente gemessen und miteinander verglichen werden. Es gelang funktionsfähige Widerstände und Dünnschichttransistoren auf flexiblen Subtraten herzustellen. Die Widerstände funktionierten auf sämtlichen getesteten Membranen, jedoch varriieren die Widerstandswerte in Abhängigkeit des Substrates. Die Dünnschichtransistoren konnten, aufgrund der Verformung von freitragenden Polymerfolien, nur auf einer geträgerten Polydiemethylsiloxanmembran hergestellt werden. Sie zeigten eine ähnliche Drainstromcharakteristik, wie andere TFTs. Die Kondensatoren konnten auf flexiblen Substraten nicht auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden, weil es Probleme mit der Kontaktierung der Messnadeln gibt. Danach sollte überprüft werden, ob die elektronischen Bauelemente auf flexiblen Substraten auch für einfache Schaltungen geeignet sind. Allerdings konnte auf keinem Polymersubstrat erfolgreich eine funktionsfähige Schaltung – in diesem Fall ein Inverter – erzeugt werden. Das hängt mit der Übertragung von Maskenstrukturen auf den Lack zusammen.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

– Kurzbeschreibung:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Atomlagenabscheidung von Aluminiumoxid bei niedrigen Temperaturen. So sollen die hier auf herkömmlichen Siliziumhalbleiterscheiben getesteten Abscheidungen von Aluminiumoxid in späteren Versuchen auf flexiblen bei geringen Temperaturen schmelzenden Substraten ermöglicht werden. Als Metallausgangsstoff findet Trimethylaluminium (TMA) Verwendung. Zur Oxidation werden Wasserdampf, Ozon oder ein Sauerstoffplasma verwendet. Alle Abscheidungen finden bei 150 °C statt.
Die auf verschiedene Weisen abgeschiedenen Oxidschichten vermessen und elektrisch charakterisiert. Dafür wird die Dicke der Proben mittels Ellipsometrie bestimmt, um Wachstumsrate und Homogenität der Oxide zu ermitteln. Für die elektrische Charakterisierung werden sowohl Kapazität- als auch Strom-Spannungs-Messungen and Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren durchgeführt und ausgewertet. Des Weiteren wird der Einfluss der thermischen Ausheilung auf die elektrischen Eigenschaften der Kondensatoren untersucht. Da am Lehrstuhl bis dato nur eine Abscheidung mittel Sauerstoffplasma untersucht wurde, soll der TMA/Wasserdampf-Prozess entwickelt und mit anderen Prozessarten verglichen werden.
Bei der Untersuchung des TMA/Wasserdampf-Prozesses konnte nicht bei allen Prozesszeiten eine Selbstlimitierung festgestellt werden. Beim Dosierschritt des Wassers setzt sich mit steigender Zeit immer mehr Wasserdampf in der Schicht ab und beeinträchtigt die Schichteigenschaften.
Die elektrische Charakterisierung ergab deutliche Unterschiede der verschiedenen Prozessarten. Die bei Sauerstoffplasma und Ozon auftretenden Hysteresen waren bei Wasserdampf Proben nicht festzustellen. Außerdem ergab sich bei der Oxidation mit Wasserdampf die höchste Dielektrizitätskonstante. Dafür brachen die Proben bei vergleichsweise geringen elektrischen Feldern bereits durch und weisen einen deutlich erhöhten Stromfluss durch das Oxid auf, was für hohe Defektdichten in den abgeschiedenen Oxiden spricht.
Nach thermischer Ausheilung veränderten sich die elektrischen Kennwerte der Kondensatoren deutlich. Es war ein Trend zu höheren Flachbandspannungen, zum Rückgang der Hysterese und zur Verringerung der Durchbruchfeldstärke zu erkennen.
Im Anschluss daran wurden die mittels Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschiedenen Aluminiumoxidschichten mit herkömmlichem thermisch gewachsenen Siliziumoxid verglichen. Hierbei zeigte sich für Aluminiumoxid eine deutlich höhere Dielektrizität. Allerdings wurden auch hohe Leckströme durch das Oxid und vergleichsweise schlechte Durchbrucheigenschaften festgestellt.

– Betreuer:

Dresel, Fabian (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-625, E-Mail:fabian.dresel@iisb.fraunhofer.de)
Bayer, Christoph (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-215, E-Mail:christoph.bayer@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

– Betreuer:

Büttner, Jonas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-236, E-Mail: jonas.buettner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Die ideale JBS-Diode verhält sich in Sperrrichtung wie eine PIN- und in Flussrichtung wie eine Schottky-Diode. Durch die Variation des Diodendesigns mit verschiedenen Abständen der Dotierungsgebiete und deren geometrischer Form lassen sich unterschiedliche Diodentypen erzeugen.
Diese werden anschließend auf einem Wafer hergestellt. Ziel der Arbeit ist es, mithilfe einer Analyse der Messwerte und Kennlinien Aussagen über die Qualität der verschiedenen Diodenarten zu treffen.
Dies geschieht durch eine graphische Auswertung, implementiert in „Python“. Grundsätzlich unterscheidet man die Diodenformen in Hexagone und Streifen.
Der daraus resultierende Unterschied beider Designs liegt hierbei in der Schottky-Fläche und dem damit verbundenen Stromfluss der Dioden.
Ein weiteres Kriterium ist das Randabschlussdesign, welches die Diodeneigenschaften vor allem in Sperrrichtung beeinflussen soll. Durch die Analyse der automatisch erzeugten Messwerte des Wafers stellt man fest,
dass der Anstieg der hexagonalen Anordnungen in Flussrichtung deutlich steiler ist. Auch die Zahl der Ausnahmekennlinien, die durch fehlerhafte Prozessierung entstehen, ist bei diesem Typ geringer als beim Streifendesign.

Somit kommt man mit dieser geometrischen Diodenart bereits in die Nähe des gewünschten Verhaltens einer Schottky-Diode in Flussrichtung.
Entgegengesetzt dazu will man in Sperrrichtung eine betragsmäßig hohe Durchbruchsspannung bei kleinem Sperrstrom, wie bei einer PIN-Diode, erreichen.

Die graphische Analyse zeigt hierbei auf, dass die Dioden auf dem untersuchten Wafer noch weit davon entfernt sind.
Die maximale Durchbruchspannung der JBS-Dioden liegt hier deutlich unterhalb des gewünschten Wertes von 1,2 kV Durchbruchsspannung.
Außerdem stellt man fest, dass etwa die Hälfte der Dioden auf dem Wafer aufgrund von Defekten oder Prozessfehlern in Sperrrichtung von den Hauptkennlinien abweichen. Berücksichtigt man diesen Abweichungsgrad, so kommt man zum Ergebnis, dass die Streifenanordnungen hier näher am gewünschten Verhalten der PIN-Diode liegen als die Hexagone.

Des Weiteren kommt man zum Ergebnis, dass der Randabschluss der Dioden nur einen geringen Einfluss auf deren Verhalten hat.

Betreuer:

Julius Marhenke
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt in der Erzeugung von Parametern zur Detektion von Biofilmen mittels kapazitiven Sensoren. Zur Erzeugung dieser Parameter werden mit gedruckten Kapazitätssensoren kapazitive Messungen an verschiedenen Proben durchgeführt.
Bei den Kapazitätssensoren handelt es sich um planare Elektroden, wel-che in einer Interdigitalstruktur angeordnet sind. Es wird mit vier verschiedenen Sensoren mit zwei unterschiedlichen Interdigitalstrukturen gemessen. Zusätzlich besitzen zwei der Sensoren eine Abschirmung
Die kapazitive Messung wird zur Generation von probencharakteristischen Ergebnissen in vier verschiedenen Frequenzen durchgeführt.
Anlässlich der Zielsetzung werden Proben mit ähnlichen Eigenschaften wie ein Biofilm gewählt. Darunter befindet sich ein Polymer, deionisiertes Wasser und biologisches Gewebe.
Es konnte gezeigt werden, dass die geometrischen Eigenschaften der Sensoren die Kapazität, das elektrische Feld, sowie die Frequenzeigenschaften beeinflussen. Durch den Vergleich der Messwerte stellte sich heraus, dass die Abschirmung die Kapazität und die sensorische Fähigkeit stark beeinträchtigt. Darüber hinaus konnte eine Unterscheidbarkeit der Proben durch ihre dielektrischen Eigenschaften festgestellt werden. Dabei wurde ersichtlich, dass flüssige oder ionenhaltige Proben die Kapazität nicht so stark erhöhen, wie die durch die Kombination der beiden. Ebenso zeigen flüssige Proben deutlich stärkere Frequenzabhängigkeiten.

Betreuer:

Julius Marhenke
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung

In der Biomedizin und Chemie bietet die Mikrofluidik die Möglichkeit kleinste Volumina zu manipulieren und zu analysieren. Dadurch werden Analysemethoden ermöglicht, für die nur geringste Probenmengen benötigt werden. Somit können Kosten und Analysezeiten reduziert werden. Die Mikrofluidik erlaubt die Manipulation von Mikroorganismen über Zellen bis hin zu Proteinen und DNA. In dieser Arbeit wird der Herstellungsprozess für ein mikrofluidisches System zur Partikelgrößenseparation entwickelt. Dazu wird ausgehend von einem bestehenden Maskendesign die Herstellung von Lackstrukturen mit hohen Aspektverhältnissen beschrieben. Die Lackstrukturen werden aus dem epoxidbasierten Photolack SU-8 hergestellt, der sich aufgrund seiner hohen Transparenz und mechanischen Stabilität für die Fabrikation von Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen durch Standardlithographietechniken eignet. Bei der Optimierung der Herstellung der Lackstrukturen liegt der Fokus auf der Optimierung der Belichtung durch Parameter, wie Belichtungszeit und Belichtungsmodus, um die Strukturen möglichst maskengetreu zu übertragen. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Arbeit sind die Temperaturbehandlungen des Lacks, um die Rissfreiheit der Lackstrukturen zu gewährleisten. Im Rahmen der Arbeit wurden rissfreie Lackstrukturen durch optimierte Pre- und Postbakezeiten und temperaturen sowie die Durchführung eines Hardbakes realisiert. Eine weitere wichtige Erkenntnis der Arbeit ist, dass ein Filter, der Wellenlängen unter 350 nm aus der Lichtquelle der Belichtung entfernt, nötig ist, um SU-8 Strukturen mit geraden Seitenwänden zu erhalten. Die optimierten Lackstrukturen wurden zum Schluss der Arbeit dazu verwendet Mikrofluidiksysteme abzuformen. Ein exemplarischer Betrieb der Systeme zeigt eine erfolgreiche Auslenkung von Partikeln.

– Betreuer:

Michael Steinberger (Michael.Steinberger@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Die Wasserstoffkonzentration im Brenngas hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Betriebsführung und den Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems. Derzeit kann diese am Ausgang
eines Brennstoffzellenstacks nur mithilfe von teurer Sensorik gemessen werden. Um die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration mit wenig Aufwand und Kosten durchzuführen, wird im Zuge dieser Arbeit ein im Flow-Through betriebenes Brennstoffzellensystem (BZS) mit der Methode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie untersucht. Dabei soll festgestellt werden, ob eine Veränderung des Wasserstoffanteils an der Anode eines Brennstoffzellensystems einen Einfluss auf das resultierende Impedanzspektrum besitzt. Das Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystem (PEM-BZS) mit einer elektrischen Nennleistung von 8 kW befindet sich nnerhalb eines Wasserstoffprüfstands am Fraunhofer IISB. Bevor die Messreihen aufgenommen wurden, erfolgte eine Validierung des verwendeten Messaufbaus. Einerseits wurden eigene Impedanzspektren mit Messungen aus der Literatur verglichen, was eine qualitativ sehr hohe Übereinstimmung ergab. Andererseits wurden die eigenen Impedanzspektren auf Reproduzierbarkeit getestet, indem Messungen an zwei Brennstoffzellen aus dem Stack verglichen wurden. Diese Versuche zeigten ebenfalls geringe relative Abweichungen zum Mittelwert der Messungen für Frequenzen zwischen 0,5 und 500 Hz, sodass für diesen Frequenzbereich von einer hohen Reproduzierbarkeit ausgegangen werden kann. Im Zuge der Messungen wurde das BZS anschließend in verschiedenen Arbeitspunkten betrieben. Dabei wurden neben der Wasserstoffkonzentration (50 mol-% – 100 mol-%) auch die Laststromdichte (0,16 A/cm2, 0,34 A/cm2, 0,5 A/cm2) und die Temperatur (45 °C, 55 °C) variiert, um gegebenfalls gegenseitige Korrelationen festzustellen. Im Zuge der Impedanzanalyse wurden in jedem Arbeitspunkt ein Impedanzspektrum mit einem Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 2 kHz mit 50 logarithmisch verteilten Messpunkten, eine Amplitude von 6A und eine Zyklenzahl von fünf eingestellt. Die Messreihen zeigten geringe Einflüsse für veränderte Wasserstoffkonzentrationen, bei denen der niederfrequente Stofftransportbogen im Impedanzspektrum infolge einer Konzentrationssenkung leicht größer wurde. Dieses Verhalten ist bei höheren Stromdichten stärker ausgeprägt und damit besser zu untersuchen, wohingegen bei einer Stromdichte von 0,16A/cm2 keine reproduzierbaren Auswirkungen festzustellen sind.

Es ergeben sich ebenfalls Änderungen im Spektrum bei Variation der Parameter Temperatur oder Laststromdichte. Diese fallen deutlich stärker aus als die Auswirkungen der Wasserstoffkonzentration und vor allem der Einfluss der Temperatur schlägt sich ebenfalls im niederfrequenten Bereich nieder. Darum wird die Auswirkung des Wasserstoffanteils auf das Impedanzspektrum bei wechselnden Betriebsbedingungen von denen der anderen Parameter überlagert. So hat eine Temperaturerhöhung um 10 °C den gleichen Einfluss auf das Impedanzspektrum wie eine Konzentrationsänderung von 56 mol-% auf 100 mol-%. Um die Wasserstoffkonzentration mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie auch nur näherungsweise festzustellen, müssen alle Betriebsbedingungen konstant gehalten werden, um dessen Einfluss zu isolieren und damit sichtbar zu machen. Dies könnte sich außerhalb von Laborbedingungen oder in anderen Betriebsarten als schwierig erweisen. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit durch die geringe Größe des Einflusses in der Regel ungenügend. Aus diesem Grund kam die folgende Arbeit zu dem Schluss, dass die Impedanzspektroskopie bei der Messung der Wasserstoffkonzentration keinen Ersatz zu Sensoren darstellt.

– Betreuer:

Kocher, Matthias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-392 , E-Mail:matthias.kocher@iisb.fraunhofer.de)
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108, E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde ein vorhandener Messplatz für Point Contact Current Voltage (PCIV)-Messungen auf Siliciumcarbid (SiC) um eine Heizvorrichtung ergänzt. Das Ziel ist dabei, Widerstandsprofilmessungen auf 4H SiC bei erhöhten Temperaturen bis zu 80 °C durchzuführen und mit den Ergebnissen bei Raumtemperatur zu vergleichen. Dazu wurde die Heizvorrichtung aufgebaut und nach Verifizierung ihrer Funktionalität in den Messplatz integriert. Zur Temperaturregelung wurde ein LabVIEW-Programm erstellt, welches die Heizvorrichtung steuert. Temperaturabhängige Widerstandsmessungen wurden ortsfest auf verschiedenen Proben durchgeführt, um das Widerstandsverhalten zu untersuchen und mit der Theorie zu vergleichen. An diesen Messungen konnte gezeigt werden, dass sich der gemessene Widerstand bei Al dotierten Schichten mit zunehmender Temperatur verringert und bei N dotierten Schichten erhöht. Dabei ergaben sich jedoch zum Teil große Abweichungen von der Theorie, die nicht geklärt werden konnten. Anschließend erfolgten Profilmessungen auf implantierten und rein epitaktisch hergestellten Proben verschiedener Dotierungen bei 26 °C, 50 °C und 80 °C. Temperaturen über 50 °C führten zu deutlich veränderten Widerstandsprofilen.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 25 gefunden werden.
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Photodioden sind Bauteile mit vielen Anwendungsmöglichkeiten. In manchen Einsatzbereichen, wie beispielsweise der Raumfahrttechnik, sind die Bauteile extremen Temperaturen ausgesetzt. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Funktionsweise
führen.
Im Zuge dieser Arbeit soll festgestellt werden, welchen Einfluss die Temperatur auf die Detektoreigenschaften von 4H-SiC Photodioden hat. Dazu werden Strom-Spannungs-Messungen bei verschiedenen Temperaturen bis 550°C durchgeführt.
Vermessen werden zwei verschiedenen Diodenvarianten, die sich nur in ihrem Dotierprofil unterscheiden. Es soll dabei festgestellt werden, bei welchen Temperaturen die Dioden noch ein verwertbares Signal liefern. Dazu wird der Strom der Dioden bei angelegter Sperrspannung mit und ohne Bestrahlung von UV-Licht untersucht. Die Sperrichtung der Dioden wird charakterisiert und es werden verschiedene Einflüsse zur Temperaturabhängigkeit des Dunkel- und des Photostromes beleuchtet.
Außerdem werden Modelle zur Berechnung des Sperrstromes als Vergleich zu den Messergebnissen hinzugezogen.
Zusätzlich werden die spektralen Eigenschaften, wie die spektrale Empfindlichkeit, berechnet. Daraus wurde die externe Quanteneffizienz der Dioden bestimmt. Für die verwendeten Bauteile lag diese zwischen 0,4 und 0,6. DesWeiteren wird ein Vergleich zwischen den beiden Diodenvarianten hergestellt.
Es wird auch auf das Durchbruchverhalten der Dioden im Hinblick auf die UVBestrahlung eingegangen. Bei Messungen mit hochdotierten Dioden wurde festgestellt, dass diese bei UVA-Bestrahlung schon bei 60V durchbrechen, wohingegen sie
ohne den Einfluss einer Lichtquelle einer Spannung von über 90V standhielten. Durch die Strom-Spannungs-Messungen hat sich gezeigt, dass der mit der Spannung und der Temperatur ansteigende Dunkelstrom ab 350°C bei einer bestimmten
Sperrspannung dominiert. Für die Diode mit flacherem Dotierprofil lag die Grenze für die Spannung bei 14V und für die tiefer dotierte bei 4 V. Unter geringeren Spannungen sind die Dioden bis zu einer Temperatur von 550°C als Detektoren
geeignet. Unterhalb von 350°C können beide Dioden mit 20V als Photodetektoren betrieben werden. Es werden auch Fehler und Problematiken, die bei den Messungen aufgetreten sind, diskutiert.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 31 gefunden werden.
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Charge-Sheet-Modell zur Beschreibung der Stroms-Spannungs-Kennlinien von Leistungsmosfets bei einer Temperaturänderung zwischen 300 K und 470 K. Dabei werden zwei MOSFETs mit vertikalem Aufbau untersucht, welche sich durch die Herstellung der Oxidschicht und den Aufbau der Epitaxieschicht unterscheiden.

Zur Charakterisierung des elektrischen Verhaltens kommen die Kapazitäts-Spannungs-Messung, die Stroms-Spannungs-Messung und die Hall-Messmethoden zum Einsatz. Ihre Ergebnisse dienen zur Extraktion der Einflussgrößen, beispielsweise die Grenzflächenzustände sowie die Beweglichkeit. Als Ergebnis steht fest, dass die Grenzflächenzustände der Hauptgrund für die Reduzierung der Inversionsladungsträger sind. Die Einsatzspannung wird somit verschoben. Die Beweglichkeit der Ladungsträger wird durch die Coulomb-Streuung begrenzt. Bei einer kurzen Kanallänge von 1 um ist es wichtig, die effektive Kanallänge sowie die Kanallängenmodulation zu berücksichtigen.

Neben den Einflussgrößen im Kanal werden auch die Serienwiderstände, vor allem der Driftwiderstand und der Widerstand im JFET-Gebiet, ausführlich untersucht. Sie nehmen aufgrund der niedrigen Beweglichkeit mit steigender Temperatur zu. Aufgrund der unterschiedlichen Dotierstoffkonzentration der Epitaxie-Schicht weichen die Serienwiderstände der beiden MOSFETs stark voneinander ab.
Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die MOSFETs sich unter Temperatureinfluss unterschiedlich verhalten. Die Ursache dafür ist das Verhältnis zwischen Kanal- und Serienwiderstand. Beim einem MOSFET ist der Gesamtwiderstand durch den Kanalwiderstand bestimmt. Im Gegensatz dazu dominiert bei dem anderen MOSFET der Driftwiderstand, was zu einer Abflachung der Kennlinien führt.
Am Ende wird das numerisches Modell vorgestellt. Das Verhalten der zwei Leistungs-MOSFETs bei verschiedenen Temperaturen (von 300 K bis ca. 470 K) lässt sich damit gut beschreiben.

– Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit werden Ringkernproben aus weichmagnetischem Polymer, bestehend aus Mangan-Zink-Ferrit Pulver und Polydimethylsiloxan (PDMS), im Hinblick auf die Einflussgrößen auf die Verlustleistung charakterisiert. Ziel ist es, durch die Verwendung weichmagnetischer Polymere zur Herstellung induktiver Bauteile, die völlige Formfreiheit der Spulenkerne zu ermöglichen. Gerade für Anwendungen mit hohen Betriebsfrequenzen bis in den MHz Bereich sind Leistungsferrite gut geeignet. Die magnetischen Eigenschaften sowie die Verlustmechanismen in Leistungsferriten werden ausführlich dargestellt. Eine Beschreibung des Kernverlustleistungsmessplatzes und des Herstellungsprozesses der Ringkernproben ist ebenfalls Teil dieser Arbeit. Zur Durchführung der Messungen werden 36 Ringkernproben in vier unterschiedlichen Größen und mit den drei verschiedenen Hauptpartikelgrößen 50 µm, 100 µm und 200 µm hergestellt. Da die Mischung der Komponenten eine zähe Flüssigkeit ergibt, kann das Material in die Formen eingegossen werden. Die Proben trocknen an der Luft. Die bewickelten Ringkernproben werden am Impedanzanalyser sowie am Kernverlustleistungsmessplatz vermessen. Dabei wird der Einfluss von Frequenz und Aussteuerung sowie der Einfluss von Proben- und Partikelgröße auf die Verlustleistungsdichte der Ringkernproben analysiert. Die komplexe Impedanz der hergestellten Ringkernproben wächst mit steigender Ringkerngröße und größerer Partikelgröße. Die Verlustleistungsdichte ist umso größer, je höher die Frequenz und je größer die magnetische Flussdichte ist. Außerdem führt eine Verkleinerung des Querschnitts sowie die Verwendung von MnZn-Ferrit Pulver mit kleinerer Partikelgröße zu erhöhten Verlusten. Der hier ermittelte Einfluss der Probengröße muss zukünftig an weiteren Probenreihen überprüft werden, da er im Widerspruch zu vorangegangenen Messergebnissen aus der Literatur steht.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Kontaktmetalle auf den richtungsabhängigen Stromfluss in Dünnschichttransistoren mit einer neuartigen Architektur untersucht. Dünnschichttransistoren weisen konventionell eine gestapelte Anordnung oder eine koplanare Anordnung der Source-/Drainkontakte auf. Die neuartige Architektur kombiniert diese beiden Anordnungen in einem Transistor. Diese Anordnung kann zu einer Asymmetrie in den elektrischen Eigenschaften führen. Es zeigt sich ein höherer Drainstrom bei Verwendung des gestapelten Kontakts als Source. Dieses asymmetrische Verhalten wird auf die kleinere Kontaktfläche des koplanaren Kontakts zurückgeführt, da dadurch die Elektroneninjektion bei Verwendung dieses Kontakts als Source begrenzt wird. Wenn der koplanare Kontakt hingegen als Drain verwendet wird, scheint die koplanare Anordnung keine Begrenzung darzustellen, da ein höherer Stromfluss dann nur möglich ist, wenn die Elektronen, die über den gestapelten Kontakt injiziert werden, den Kanal über den Drainkontakt wieder verlassen können. Es scheint somit schwieriger für die Elektronen zu sein, in den Kanal injiziert zu werden, als den Kanal wieder zu verlassen, d. h., der Sourcekontakt bestimmt das elektrische Verhalten.
In der Literatur wurde gezeigt, dass ein richtungsabhängiges Stromverhalten auch in rein gestapelten Dünnschichttransistoren möglich ist, wenn für die beiden Kontakte unterschiedliche Kontaktmetalle verwendet werden. Auch hier zeigt sich, dass der Sourcekontakt das elektrische Verhalten des Transistors bestimmt. Bei Verwendung von Kontaktmetallen mit hoher Austrittsarbeit, können zwischen Metallkontakt und Halbleiter hohe Schottkybarrieren entstehen, die Elektronen nicht so leicht überwinden können. Wird auf der einen Seite ein Metall verwendet, das schottkyartiges Verhalten zeigt, während das andere Metall ohmsches Verhalten aufweist, ergibt sich asymmetrisches Stromverhalten. Denn bei der Verwendung des schottkyartigen Metalls als Source entspricht der Metall-Halbleiter-Kontakt einer Schottkydiode in Sperrichtung, bei Verwendung als Drain hingegen einer Diode in Durchlassrichtung.
Es wurden für diese Arbeit rein gestapelte Dünnschichttransistoren mit unterschiedlichen Kontaktmetallen für beide Seiten hergestellt. Bei diesen Transistoren zeigte sich kein richtungsabhängiges Stromverhalten, was auf die starke Abhängigkeit der Schottkybarrierenhöhe von der Prozessierung zurückgeführt wird. Außerdem konnten, aufgrund von Problemen bei der Herstellung, nicht die Kontaktmetalle verwendet werden, von denen die Ausbildung einer hohen Schottkybarriere erwartet wurde. Bei den für diese Arbeit hergestellten Transistoren mit neuartiger Architektur wurde Titan für den gestapelten Kontakt verwendet, damit sich ein Kontakt mit niedriger Barriere für die Elektroneninjektion bildet. Als Metalle für den koplanaren Kontakt wurden unter anderen Nickel und Platin verwendet, d. h. Metalle mit hoher Austrittsarbeit, damit eine hohe Schottkybarriere entsteht und die Elektroneninjektion bei Verwendung als Sourcekontakt begrenzt wird. Ziel war, dabei einen größeren Stromunterschied für die Transistoren mit neuartiger Architektur zu erreichen. Der größte Stromunterschied zeigte sich bei Platin, gefolgt von Chrom und Nickel, bei Molybdän zeigte sich nur ein geringer Stromunterschied. Die Stromunterschiede waren geringer als erwartet, was wahrscheinlich an der starken Abhängigkeit der Schottkybarrierenhöhe von den Prozessbedingungen liegt.

– Betreuer:

Lange, Christopher (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-107, E-Mail:christopher.lange@iisb.fraunhofer.de)
Puls, Philipp (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-245, E-Mail:philipp.puls@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen der Arbeit wurde ein Prognosesystem für Kälteleistung zur Integration in eine Anlagensteuerung (SPS) entwickelt. Das System dient als Grundlage für eine effiziente Betriebsstrategie für Kältesysteme. Ziel ist zum einen, durch die Integration der Prognosealgorithmen in die Steuerung des Kältespeichers auftretende Lastspitzen zu reduzieren, zum anderen einen effizienten Betrieb der Kälteerzeuger zu ermöglichen. Als Demonstrationsobjekt dient der 12/17° Kältekreislauf des Fraunhofer Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB.
Das Prognosesystem wird in Octave, was eine freie Alternative zu MATLAB darstellt, erstellt und getestet. Die Prognose basiert auf vergangenen Werten des Lastgangs und auf Wetterprognosen. Als Datengrundlage dienen historische Werte aus dem Energiemonitoring-System des Fraunhofer IISB. Aktuell wird das System für Prognosen von einem Tag in die Zukunft ausgelegt.
Der Kern des Prognosesystems ist ein Regressionsmodell mit einem durch ein AR-Modell angenäherten Fehlerterm. Die Parameter des Prognosesystems werden bei jeder Anwendung mit der Verallgemeinerten Kleinste-Quadrate-Methode adaptiv bestimmt. Erreicht wurden Genauigkeiten mit einem mittleren absoluten prozentualen Fehler (MAPE) von bis zu 1,07 %, im Durchschnitt aber von 5,4 % MAPE. Die Umsetzung des Prognosesystems auf einer SPS ist möglich. Das Prognosesystem verwendet eine geschätzte Anzahl von 500.000 mathematischen Operatoren bei einer Aufteilung von 70 % Typ Festpunktarithmetik und 30 % Typ Gleitpunktarithmetik. Auf modernen CPUs werden mit dieser Anzahl an Rechenoperatoren akzeptable Zykluszeiten erreicht.

– Betreuer:

Stockmeier, Ludwig (FHG-IISB, Tel. 03731/2033-108 , E-Mail:ludwig.stockmeier@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Während der Züchtung von einkristallinem, hochdotiertem n-Typ Silizium mittels des Czochralski-Verfahrens kann es zur Entstehung von Versetzungen kommen. Diese sind zu vermeiden. Da die Versetzungsentstehung im Zusammenhang mit Dotierstoffkonzentrationsschwankungen stehen soll, wurden im Rahmen dieser Arbeit die Dotierstoffkonzentrations-schwankungen von hochdotierten Siliziumkristallen mittels Spreading Resistance Profiling (SRP) untersucht.
Für die Untersuchung der Dotierstoffkonzentrationsschwankungen war es notwendig eine Messvorschrift zu erstellen. Dazu wurden die Parameter Oberflächenbeschaffenheit, Mess-raster, Reproduzierbarkeit untersucht.
Um Aufschluss über die Größe und Verteilung der Dotierstoffkonzentrationsschwankungen zu erhalten, wurde der Einfluss der radialen und axialen Kristallposition, von Facetten und des Dotierelementes näher untersucht. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die am Kristallrand des Konus auftretenden Dotierstoffkonzentrationsschwankungen (bis zu 50 %) am größten sind. Für den Bereich innerhalb einer Facette konnten 2 bis 2,5mal größere Dotierstoffkonzentrationsschwankungen als außerhalb der Facetten festgestellt werden. Des Weiteren konnte kein Einfluss des Dotierelements auf die Dotierstoffkonzentrationsschwankungen nachgewiesen werden.
Die Arbeit hat die kritischen Kristallpositionen aufgezeigt an denen die größten Dotierstoffkonzentrationsschwankungen auftreten. Darüber hinaus konnten Einflussfaktoren wie die Bildung von Facetten und die Art des Dotierelementes auf die Schwankungen der Dotierstoffkonzentration diskutiert werden. Die Arbeit trägt somit dazu bei die Ursache für die Versetzungsentstehung zu klären und damit letztendlich zu der Vermeidung der Versetzungen beizutragen.

– Betreuer:

Lange, Christopher (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-107, E-Mail:christopher.lange@iisb.fraunhofer.de)
Nuß, Andreas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-146, E-Mail:andreas.nuss@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wird eine Betriebsstrategie für den Kältespeicher am Fraunhofer IISB entwickelt. Mit der Integration des Speichers in das bestehende Kältesystem soll zum einen eine Effizienzsteigerung in der Kälteerzeugung realisiert werden. Zum anderen wird der Kältespeicher mit einem Batteriesystem gekoppelt, um so effektiv elektrische Lastspitzen reduzieren zu können.

Mit MATLAB werden verschiedene Szenarien simuliert, um optimale Zeiten für die Be- und Entladung des Speichers zu ermitteln. Mit einer Speicherbeladung kann die Kälteerzeugung in die Nachtstunden verlagert werden. Die nächtlichen Außentemperaturen beünstigen die Kühlung der Kältemaschine über das Rückkühlwerk, wodurch ein Effizienzgewinn möglich ist. Tagsüber wird der Kaltwassertank zu Zeiten geringer Systemeffizienz entladen, wodurch die Kälteanlage von der Kälteversorgung entkoppelt wird. Eine Simulation dieses Szenarios für das Jahr 2017 hat gezeigt, dass sich durch den Einsatz des Kälte-speichers die Leistungszahl (englisch COP, „coefficient of performance“) des Kältesystems von 2,39 auf 2,82 gesteigert hat, wodurch dabei der elektrische Verbrauch um ca. 45 MWh verringert werden konnte. In einem zweiten Szenario unterstützt der Kältespeicher ein Batteriesystem dabei, hohe elektrische Leistungsbezüge zu Spitzenlastzeiten zu verringern. Zur Reduktion wird dabei vorrangig die Batterie verwendet. Es werden Kriterien in Abhängigkeit der Batterieleistung und -kapazität vorgegeben, nach welchen entschieden wird, ob eine Entladung des Kältespeichers notwendig ist. Eine Kombination der Szenarien ermöglicht es, den Kältespeicher sowohl zur Erhöhung der Gesamteffizienz als auch zur Lastspitzenreduktion einzusetzen, wobei letzteres Vorrang hat. Eine Verknüpfung des Batteriesystem und des Kältespeichers hat in einer Simulation für das Jahr 2017 eine Reduktion der Lastspitze um ca. 208 kW erreicht. Ebenso konnte hierbei der elektrische Verbrauch um etwa 18 MWh verringert werden durch einen gleichzeitigen COP-Anstieg auf 2,70.

– Betreuer:

Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116, E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes EPROX4 wird das Fraunhofer-Institut für integrierte Systeme und Bauelemente eine Vanadium Redox-Flow-Batterie (VRFB) aufbauen. Die Batterie dient zur „Entwicklung eines intelligenten, dezentralen und modular einsetzbaren DC-DC Wandlers, Entwicklung einer Elektronik für die Überwachungs- und Regelfunktionen des Plattformmoduls und Verifikation der Komponenten in einem Demonstrator und Entwicklung von Optimierungspotentialen“ [0] .
Das System wird sich in einem modifizierten Container auf dem Gelände des Fraunhofer In-stituts befinden. Für die Redox-Flow-Batterie soll eine Vanadium Elektrolytlösung verwendet werden. Für den Betrieb, Aufbau und die Wartung der Anlage ist die „Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Soffen“ (AwSV) einzuhalten. Aufgrund der toxischen Eigenschaften des Elektrolyten, speziell die enthaltenden Vanadiumsalze, ist er für Wasserorganismen schädlich und das Havarieren der Anlage muss ausgeschlossen werden. In diesem Fall tritt Elektrolyt aus den Rohrleitungen oder Tanks in die Umwelt aus. Um dies zu verhindern, beschäftigt sich diese wissenschaftliche Arbeit unter anderem mit den sicherheitsrelevanten Aspekten. Die Bachelorarbeit geht auf die Frage der Vermeidung von Fehlern und möglichen Folgen, sowie der Sicherstellung eines reibungsfreien Betriebes ein.
Ziel der Arbeit war es kritische Fehler aufzudecken und geeignete Maßnahmen zu finden, um den Fehlern ihre Bedeutung zu nehmen. Die Fehleranalyse wurden mit Hilfe einer Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse durchgeführt. Ein Zustandsautomat wurde für die Anlage entworfen, um zu gewährleisten, dass Störungen frühzeitig erkannt werden. Die Zustände des Systems wurden definiert und beschrieben. Hierbei war die größte Herausforderung eine möglichst genaue Abbildung der Anlage zu realisieren.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 129 gefunden werden.
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail:mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Im Bereich der Halbleitertechnologie sind Imprintverfahren eine vielversprechende Optionzur Realisierung von Strukturen mit einer Größe von einigen Nano- bis wenigenMikrometern. Die UV-gestützte substratkonforme Imprintlithographie als speziellesImprintverfahren bietet hierbei das Potential, solche Strukturen mit einer kurzenProzesszeit und damit auch kostengünstig herstellen zu können. Dabei wird ein Prägewerkzeugmit einer aufschleuderten Prägematerial-Schicht kontaktiert und durchBelichtung ausgehärtet. Aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte beim Schleuderprozesskommt es zu einer Überhöhung der Schichtdicke am Rand des Substrats.Diese Randüberhöhung kann in mehreren Folgeprozessen störend wirken und wird imRahmen der vorliegenden Arbeit genauer analysiert und optimiert.

Als Prägematerialien werden dabei der organische Lack mr-NIL210FC_XP und dasHybridpolymer OrmoCompRuntersucht. mr-NIL210FC_XP wird hierbei sowohl unverdünntals auch verdünnt betrachtet, während OrmoCompRausschließlich verdünntanalysiert wird. Im Anschluss an die Beschichtung werden die Proben teilweise strukturiertgeprägt und alle Proben werden anschließend belichtet. Bei drei Proben wirdvor der Strukturierung und Belichtung das Prägematerial im Randbereich der Waferentfernt. Die Schichtdicken der aufgeschleuderten Materialien werden reflektometrischerfasst. Bei der Analyse der Messergebnisse zeigt sich, dass sich ausschließlichmit unverdünntem mr-NIL210FC_XP eine homogene Randüberhöhung ergibt. DieSchichtdicken der Beschichtungen mit OrmoCompRzeigen die größten Streuungen.

– Betreuer:

Prof. P. Schmuki
Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Bachelorarbeit wird die Kathodenzerstäubung von amorphem Indium-Gallium-Zink-Oxid (a-IGZO) für zwei Targets untersucht. a-IGZO ist ein n-typ Halbleiter, welcher als aktive Halbleiterschicht in Dünnschichttransistoren für die flexible Elektronik eingesetzt wird. Die Targets haben die gleiche atomare Zusammensetzung von Indium, Gallium und Zink in einem Verhältnis von 1:1:1. Das JX-Target besitzt eine graue Farbe und ist reduziert. Das gelbliche AL-Target wird in dieser Arbeit zum ersten Mal in Betrieb genommen und ist noch oxidiert. Sauerstoffleerstellen generieren in a-IGZO freie Ladungsträger, welche die elektrischen Eigenschaften des amorphen Halbleiters stark beeinflussen.
Mit den Targets werden Proben mit unterschiedlichen Parametern gesputtert. Der Sauerstofffluss und die Schichtdicke, sowie die Sputterleistung sind die wichtigsten Parameter zur Abscheidung von a-IGZO. Monitorproben für die Bestimmung der Sputterrate werden durch den Einsatz von spektroskopischer Ellipsometrie untersucht. Die Sputterrate des JX-Targets ist größer als die des AL-Targets. Rastermessungen am Ellipsometer zeigen, dass die IGZO-Schichten für beide Targets mit Uniformitäten über 94 % abgeschieden werden. Mit der Messung der IGZO-Schichten über verschiedene Wellenlängen und Winkel mittels der spektroskopische Ellipsometrie wird aus dem Tauc-Lorentz-Modell die optische Bandlücke ermittelt. Diese liegt für beide Targets bei 3 eV. Am UV/vis-Spektrometer wird eine mittlere Transmission von über 80 % für verschiedene mit IGZO beschichteten Glassubstrate gemessen. Beide Targets besitzen sehr ähnliche Transmission. Eine Probe des AL-Targets wird mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Die Zusammensetzung der IGZO-Schicht weicht leicht von der Stöchiometrie ab. Auffällig ist ein sehr hoher Anteil an Kohlenstoff und Stickstoff.
Zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften werden die Transferkurven der hergestellten TFTs analysiert. Die Einsatzspannung, die Beweglichkeit und der Subthreshold-Swing werden durch Strom-Spannungsmessung ermittelt. Für diese Arbeit wurden Dünnschichttransistoren mit IGZO-Schichten der beiden Targets hergestellt. Der Sauerstofffluss und die Schichtdicke wurden variiert. Die Proben werden bei 200 °C getempert, um die elektrische Stabilität zu gewährleisten und die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Besonders auffällig in der elektrischen Auswertung ist, dass die Probe welche ohne Sauerstoff abgeschieden wurde, nach dem Tempern eine sehr hohe Elektronenbeweglichkeit von 214 cm²/Vs besitzt. Gleichzeitig ist die Einsatzspannung dieser Probe stark negativ und die TFTs auf dem Wafer sind kaum homogen. Andere Proben zeigen, dass für Schichtdicken von 15 bis 20 nm bei 0,8 sccm Sauerstoff TFTs hergestellt werden können, welche sehr gute Transistorkennwerte aufweisen. Die Einsatzspannungen dieser TFTs liegen im positiven nahe Null. Nach dem Tempern kann für diese TFTs bei großer Homogenität eine Beweglichkeit von annähernd 8 cm²/Vs erzielt werden. Erneutes Tempern bei 350 °C degradiert die Eigenschaften der TFTs. Ein Vergleich beider Targets für die Herstellung der TFTs zeigt, dass keine unterschiedlichen Eigenschaften resultieren.
Das AL-Target hat seinen Reduktionsgrad und damit seine Farbe nach der Abscheidung zu grau geändert Somit kann gezeigt werden, dass beide Targets für die Abscheidung von IGZO-Schichten hoher Qualität geeignet sind, da sie gleiche Eigenschaften besitzen.

– Betreuer:

Prof. P. Schmuki
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Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit werden Messungen zur Grenzflächenzustandsdichte von 4H-SiC-MOSFETs sowie deren 1/f-Rauschverhalten durchgeführt. Die Messergebnisse werden anschließend auf Übereinstimmung mit dem Delta-N-Model von McWhorter überprüft. Nach diesem Modell ist die Ursache für das 1/f-Rauschen Schwankungen der Ladungsträgeranzahl im Kanal, die durch Grenzflächenzustände eingefangen und wieder abgegeben werden.
Die Grenzflächenzustandsdichte wird anhand von drei unterschiedlichen Messmethoden bestimmt. Zum einen durch Kapazitäts-Spannungs-Messungen nach der Hoch-Tief-Methode an MOS-Kondensatoren, bei der die Differenz einer hoch- und niederfrequenten Messung Aufschluss auf die Grenzflächenzustandsdichte gibt. Und weiterhin durch Hall-Messungen an Hall-Bar-MOSFETs sowie durch Strom-Spannungs-Messungen an MOSFETs bei denen der Substhresholdswing ausgewertet wird. Das 1/f-Rauschen wird ebenfalls durch Messungen an MOSFETs ermittelt.
Die Messergebnisse zeigen eine starke Korrelation der Grenzflächenzustandsdichten der Hall- und CV-Messungen mit dem 1/f-Rauschen und stehen damit in Übereinstimmung mit dem Delta-N-Modell. Daran anschließend wird ausgehend von der Korrelation Si/Id²~Dit/Nfrei² die nach dem DN-Modell besteht, anhand der Daten der Hall-Messungen ein das Rauschen beschreibender Term aufgestellt.

– Betreuer:

Puls, Philipp (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-245, E-Mail:philipp.puls@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116,
E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde das Betriebsverhalten eines Hybridkältespeichers untersucht. Der Hybridkältespeicher ist ein Verdrängungsspeicher, in den Phasenwechselelemente eingebaut werden um die Energiedichte zu erhöhen. Ein Phasenwechselelement besteht aus einer Aluminiumhülle, welche mit einem Metallschaum und einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Das Ziel der Arbeit lag darin, Aussagen über den Temperaturverlauf des Speichermediums im Hybridkältespeicher in Abhängigkeit des Volumenstroms und der Vor- bzw. Rücklauftemperatur zu erhalten. Weiterhin wurde untersucht, welche Kapazitätserhöhung durch den Einsatz eines Phasenwechselmaterials und welche Ladegeschwindigkeit der Phasenwechselelemente im Hybridkältespeicher erreicht werden kann. Auf Grundlage der aus den Versuchen gewonnenen Ergebnisse sollte ein Simulationsmodell erstellt werden, welches auf Hybridkältespeicher beliebiger Größenordnungen übertragbar ist.
Um die Phasenwechselelemente hinsichtlich ihrer Wärmeübertragungseigenschaften charakterisieren zu können, wurden sie in einem dedizierten Testbehälter untersucht. Damit der Wärmedurchgangskoeffizient bestimmt werden kann, wurden die Versuchsreihen bei unterschiedlichen Starttemperaturen des Wassers im Testbehälter durchgeführt. Mit dem durch Einbau der Phasenwechselelemente entstandenen Hybridkältespeicher wurden Be- und Entladeversuche bei verschiedenen Volumenströmen und unterschiedlicher Vor- und Rücklauftemperatur durchgeführt. Ein bestehendes Simulationsmodell des rein sensiblen Verdrängungskältespeichers wurde um einen Wärmedurchgangsterm erweitert um den Temperaturverlauf im Hybridkältespeicher berechnen zu können. Der Wärmedurchgangskoeffizient der Phasenwechselelemente mit Kupferschaum konnte zu 150,81 W·m-2·K-1 bestimmt werden. Für die Phasenwechselelemente mit Aluminiumschaum ergab sich ein Wert von 131,67 W·m-2·K-1. Durch Verwendung eines feinporigeren Kupferschaums konnte eine Leistungssteigerung um 9 % erreicht werden. Aus den Be- bzw. Entladeversuchen des Hybridkältespeichers konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: Der Volumenstrom im Speicher hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Höhe der Übergangszone und den Temperaturverlauf des Hybridkältespeichers. Je geringer der Volumenstrom, desto geringer die Höhe der Übergangszone Die Temperaturdifferenz aus Vor- und Rücklauftemperatur hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Höhe der Übergangszone und den Temperaturverlauf. Die Versuche wurden mit Vorlauftemperaturen zwischen 8 und 10 °C und Rücklauftemperaturen zwischen 14 und 19 °C durchgeführt. Eine große Temperaturdifferenz reduziert die Höhe der Übergangszone. Es konnte nur bei den Entladeversuchen ein vollständiger Phasenwechsel erzielt werden.
Der Wärmedurchgangskoeffizient des Modells des Hybridkältespeichers muss aufgrund der unterschiedlichen Volumenströme und unterschiedlicher Vor- und Rücklauftemperaturen für jeden Be- bzw. Entladeversuch angepasst werden. Der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Phasenwechselelement und Speichermedium konnte mithilfe der Simulation des Hybridkältespeichers für einen Beladevorgang zu 116,22 W·m-2·K-1 bestimmt werden. Die Kapazitätserhöhung durch die Phasenwechselelemente beträgt bei der Beladung 7,13 % und bei der Entladung 17,35 %. Der höhere Wert für die Entladung ist durch den vollständigen Phasenwechsel während der Entladung zu erklären. Bei der Beladung konnte kein vollständiges Erstarren des Phasenwechselmaterials erzielt werden.

– Betreuer:

Zörner, Alicia (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-188, E-Mail: alicia.zoerner@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war es, die Funktionalität von neuen Siebdruckpasten, welche speziellfür biomedizinische Anwendungen sowie Dehnbarkeit ausgelegt sind, zu optimieren. Hintergrundist der große Einfluss, den die verschiedenen Prozessparameter auf die Eigenschaftender gedruckten Strukturen besitzt. Somit beeinflussen die Prozessparameter wesentlich diephysikalischen Eigenschaften von gedruckter Elektronik und damit die Grenzen möglicherAnwendungen wie beispielsweise Elektroden für ionenselektive Sensoren oder am Körpertragbare Elektronik („wearables oder smart textiles“).Im Zuge der Arbeit wurde der Einfluss der Druckparameter auf minimalen Strukturabstand,minimale auflösbare Linienbreite, Oberflächenhomogenität, Adhäsion und Schichtdickeuntersucht.Weiterhin wurden die elektrischen Eigenschaften wie spezifischer Widerstand,Schichtwiderstand sowie der Einfluss von Dehnung und Biegung auf die elektrische Leitfähigkeiteruiert.Mithilfe geeigneter Druckparameter konnte ein mimimaler Strukturabstand von 200 Mikrometer beigleichzeitiger auflösbarer Linienbreite von 100 Mikrometer erreicht werden. Weiterhin wurde eineprinzipiell schlechte Oberflächenhomogenität für die meisten Parameterkombinationen festgestellt,welche eine verlässliche Messung des Schichtwiderstands erschwerte. Um die Leitfähigkeitder Schicht zu charakterisieren sollte für die Zukunft daher eine andere Messmethodeverwendet werden.Die Zusammenhänge zwischen einzelnen Druckparametern mit Eigenschaften der gedrucktenStruktur, wie beispielsweise der Zusammenhang von Absprung zur Schichtdicke konntengemessen und erklärt werden. Die Veränderung des elektrischen Widerstands nach Dehnzykleneiner definierten Dehnung für die dehnbare Paste konnte für verschiedene Designsgemessen werden. Dabei konnte eine auf TPU gedruckte Struktur beispielsweise 10 Zykleneiner Dehnung auf die doppelte Länge widerstehen, ohne ihre Leitfähigkeit zu verlieren; derWiderstand stieg auf etwa das 250-fache an. Allerdings gibt es Anwendungen, bei denenein hoher Widerstand die Funktionalität nicht beeinträchtigt. Für derartige Anwendungen(z.B. gedruckte Sensoren) ist das Siebdruckverfahren auf dehnbare Substrate also eine verlässliche,robuste und kostengünstige Herstellungsmöglichkeit. Zudem konnte der Einflussder Biegung auf den elektrischen Widerstand bestimmt werden. Dabei wurde berechnet,dass ein Biegeradius von 25 mm einer Dehnung der Strukturen von 2 % entspricht und sichder Widerstand während dieser Biegung um etwa 10 % erhöht. Dieses Ergebnis macht dasSiebdruckverfahren auf flexible Substrate attraktiv für tragbare Elektronik.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 26 gefunden werden.
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Korrosion bezeichnet eine Werkstoffschädigung, bei der die Oberfläche eines Materialsdurch chemische Reaktion mit einem korrosiven Medium angegriffen wird. In der vorliegendenArbeit wurden biokompatible Elektroden aus Titan (Ti) bzw. Titan/Titannitrid (Ti/TiN)auf einem Polydimethylsiloxan(PDMS)-Glas-Substrat hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltensin simulated bodyfluid (SBF) untersucht. Zur Erhebung der korrosionsrelevanten Parameterwurden linearen Polarisationsmessung durchgeführt. Um eine feste Einspannung und eine sichereelektrische Kontaktierung der flächigen Elektroden zu realisieren, wurde ein bereitsbestehendes, so genanntes Kontaktmodul, weiterentwickelt. Als wichtigste Neuerung wurdeeine Steckverbindung als Schnittstelle zwischen Kontaktmodul und elektrischen Leitungenetabliert. Die Elektroden wurden in in vitro-Zellexperimenten verwendet. Zu diesemZweck wurden primäre Hippocampuszellen von jungen Ratten auf den Elektroden für 11 bis 14Tage kultiviert. Durch Einprägen eines periodischen elektrischen Stimulus konnte dieFunktion so genannter Schrittmacherzeller, wie sie physiologisch in einigen Hirnregionenvorkommen, simuliert werden. Im Anschluss wurde mit Hilfe der Kalziumfluoreszenz-Bildgebungeine Analyse des neuronalen Netzwerks mit Hilfe der Methode des adaptiv gewichtetenKlassifizierungsbaums durchgeführt. Auf einigen Elektroden wurden keine Zellen ausgesät,eine Inkubation für 11 bis 14 Tage erfolgte jedoch trotzdem um die Laborphase und damitkorrosionsfördernde Bedingungen zu schaffen.Die in der Literatur angegebenen Korrosionskennwerte von Titan konnten bestätigt werden.Bei den Titannitrid-Proben wurde eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit nachgewiesenals die Literatur berichtet. Nach den Zellexperimenten zeigten diese Proben eine nochmalsgesteigerte Korrosionsbeständigkeit. Bei allen Proben konnten optische Oberflächenveränderungennach Abschluss der Inkubation nachgewiesen werden. Die Auswertung der Messdaten aus denlinearen Polarisationsmessungen ergab, dass sich die materielle Zusammensetzung derElektrodenoberflächen verändert hat. Die Auswertung der Zellexperimente lieferte erste Daten,um den Einfluss der elektrischen Stimuli auf die Ausbildung neuronaler Netze zu verstehen.

– Betreuer:

Bach, Linh (FHG-IISB, Tel.09131 /761-616, E-Mail:Linh.Bach@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116, E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist das derzeitige thermische Management von high Power LEDs zu beschreiben, eine Gegenüberstellung mit den keramischen Leiterplatten und Mikrokanalkühlung des Fraunhofer IISB in Erlangen durchzuführen und abschließend die Einsatzmöglichkeiten der Fraunhofer IISB Technologie für den LED-Markt zu beurteilen. Dabei werden die Aufbau- und Verbindungstechnik und die Kühlsysteme im LED-Bereich, mittels einer Literaturstudie, untersucht. Der Vergleich des thermischen Managements der Fraunhofer Technologie und des thermischen Managements des LED-Bereich findet anhand von Experteninterviews statt. Hierbei wird die Einsatzfähigkeit der Fraunhofer Technologie im LED-Bereich beurteilt. Es hat sich ergeben, dass für high Power LEDs Isolierte Metall Leiterplatten (IMS) am verbreitetsten sind und Keramikleiterplatten für COB-Aufbauten mit vertikalen LED-Chips oder Flip Chip LED-Chips zum Einsatz kommen. Für die Verbindung des LED-Chips mit der wärmeableitenden Struktur dominiert das Sintern. Für die Kühlsysteme sind passive Rippenkühlungen in Kombination mit Heatpipes die bevorzugt eingesetzte Technik. Die keramischen Leiterplatten des Fraunhofer Instituts und die aktiven Wasserkühlungen eignen sich aufgrund ihrer höheren Kosten nicht für einen Einsatz im LED-Bereich. Die Entwicklung des Chip-Scale-Packagings im LED-Bereich könnte einen Einsatz der Keramikleiterplatten des Fraunhofer Instituts für die LED-Technik ermöglichen. Diese Arbeit richtet sich in erster Linie an diejenigen Mitarbeiter des Fraunhofer IISB, welche in dem angesprochenen Bereich Forschung betreiben.

– Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-488, E-Mail:johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wird ein LOHC (liquid organic hydrogen carrier)-basierter Energiespeicher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Wasserstoffqualität des vom Elektrolyseur produzierten Wasserstoffs hinsichtlich des Sauerstoff- und Wassergehalts, der jeweils im Bereich weniger ppm (parts per million) erwartet wird. Zuerst werden die eingesetzten Sensoren charakterisiert und Einflüsse des Systems und der Betriebsparameter auf die Wasserstoffqualität ermittelt. Mit diesen Erkenntnissen wird die Wasserstoffqualität bei unterschiedlichen Anfahrverhalten, Stillstandszeiten, Betriebspunkten und Betriebsdauern des Elektrolyseurs untersucht. Des Weiteren werden ein Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer und ein Massenspektrometer hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im Speichersystem verglichen.
Damit sich die einzelnen Einflüsse bei den Untersuchungen nicht überschneiden und sich somit falsche Erkenntnisse ergeben, wird ein Messplan ausgearbeitet. Dadurch werden bei der Untersuchung eines Parameters alle anderen so weit wie möglich ausgeschlossen.
Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse stellte sich heraus, dass die Wasserstoffqualität des produzierten Wasserstoffs die Qualität von 5.0 erfüllt. Bei einer längeren Betriebsdauer stieg die Wasserstoffqualität des produzierten Wasserstoffs. Im Gegensatz dazu hat eine lange Stillstandszeit einen negativen Effekt, da Luft in das System gelangen kann und folglich die Wasserstoffqualität sinkt. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass die eingesetzten Sensoren teilweise nicht geeignet waren.

– Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Kurzzusammenfassung:

Heutzutage ist es immer mehr notwendig, einen geeigneten Filter in der Leistungselektronik zu verwenden. Dabei spielt die Auswahl des Materials für den Filter auch eine sehr wichtige Rolle. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Literaturrecherche und Messungen vorhandener Filterinduktivität aus Eisenpulvermaterialien und der hergestellten Filterinduktivität aus Mangan-Zink-Ferrite-Polymeren.
Dazu ist es wichtig zu untersuchen, welche Induktivität mit Hilfe weichmagnetischer Polymere erreicht werden kann. In dieser Masterarbeit werden zuerst die Einteilungen und Anwendungen der Filter und Kernmaterialien vorgestellt.
Danach werden die Kleinsignalmessungen der Eisenpulvermaterialien und Mangan-Zink-Ferrit-Polymere durchgeführt. Um die vorhandenen Eisenpulvermaterialien von den weichmagnetischen Polymeren ersetzt werden zu können, wird die Filterinduktivität der weichmagnetischen Polymere mit den berechneten Parameter hergestellt. Die Windungszahl der Filterspule wird zu 22 berechnet. Aufgrund des vorgegebenen Bauraums wird zur Realisierung eine Filterspule mit 6 Windungen prozessiert um die theoretischen Grundlagen zu verifizieren. Diese Filterinduktivitäten werden mit den Eisenpulvermaterialien verglichen und diskutiert. In den Messungen werden die Impedanz, Phasenwinkel, Induktivität und Widerstand betrachtet. Die Permeabilität wird mit Hilfe der Messergebnisse ausgerechnet. Die aufgrund der Grundlagen zu erwartende Induktivität für weichmagnetische Polymere liegt bei 0,657 µH. Die in dieser Arbeit gezeigten Messergebnisse zeigen eine Induktivität von 2 µH. In weiterführenden Arbeiten ist der Unterschied zwischen Theorie und Messung weiter zu untersuchen.