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Correlative Analysis of Surfaces and Nanostructures to Understand their Physics Using AFM and SEM
(2024)
The atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) are two techniques that now have been used for decades to measure and analyse surfaces. This thesis deals with 1st real in-situ correlative microscopy platform that combines both of these techniques. This unique platform through SEM facilitates to measure the inhomogeneous sample surfaces, on which it is difficult to land the cantilever tip at specific region of interests through a conventional optical visualisation at nanometre resolution. This platform eases the nanostructures’ analysis and directly correlating the AFM and SEM measurement data. In this work different samples with diverse characteristics were measured using a variety of AFM measurement modes and through the assistance of SEM. In doing so, the measurement accuracy, precision and possible applications of the correlative microscopy tool were evaluated. (a.) A polymer blend of two polymers was nanomechanically characterised to benchmark the measurement results of the correlative microscope against other commercial standalone AFMs. The benchmarking is crucial for advancing the development of in-situ AFM measurement modes. (b.) A multi-pulse laser ablated stainless steel surface, which was subjected to ultra-short femtosecond laser pulses, was measured via AFM topography imaging to characterise the evolution of surface morphology. This characterisation not only helps to understand the multi-pulse laser ablation, but it also further provides the experimental knowledge and basis to simulate the models for multi-pulse laser ablation. (c.) 3D structures nanoprinted via Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID) were mechanically characterised to assess their structural stiffness and deformation. This sort of evaluation of FEBID structures is to current knowledge the 1st of its kind. While recording force-distance curves, the structural deformation and tip landing on the FEBID structures was observed live via secondary electron imaging using the SEM. It is also a fantastic example demonstrating the power of correlative AFM and SEM measurements. The results are valuable towards the enhancement of FEBID process.
Reality capturing a construction site or enterprise manufacturing hall with a laser scanner results in a digital twin of the environment. Generating a digital twin in regular intervals is useful to plan and manage the facility as well as to check its up-to-date status virtually. Commonly, a mobile scan of the facility takes several hours to accomplish and should take place during non-working hours to decrease the chance of capturing moving objects degrading the scan accuracy. The repeated execution of manual scans is therefore restricted to time slots at night and on weekends and increases the personnel costs.
To overcome the time restrictions and to reduce the personnel cost for repeated scans, an autonomous mobile mapping robot was developed within this thesis. This robot is able to autonomously traverse harsh and changing environments based on a predefined path while scanning and taking 360_ pictures of the surroundings. Therefore, the mobile laser scanner NavVis VLX was mounted on the quadruped robot SPOT from Boston Dynamics. Communication between the robot and the laser scanner enables the simultaneous control of both devices. The user can plan the execution of an autonomous scanning mission with a graphical user interface and the execution itself does not require an operator and is reliably successful. The autonomous scan was proven to have a precise repeatability and coverage of the planned trajectory even with obstacles blocking the original path. In addition, the accuracy of the scan meets the specifications of a classical VLX scan resulting in an accurate representation of the reality.
With the discovery of Tsai‘s Modulus as a fundamental property of composite material and the newly introduced Double-Double Laminate family, new and highly efficient methods for the design of composite laminates are available. An overview of these so-called invariant-based design methods is given. Additionally, two novel approaches are proposed for the invariant-based analysis of stability and displacement of composite panels. These methods are shown to accurately predict the field of displacement and the buckling load for Double-Double type laminates independent of material and laminate thickness. Subsequently, an optimization of layup and thickness of composite panels utilizing these methods is demonstrated. A parametric finite element model is presented, allowing the efficient analysis and optimization of Skin-Grid-Structures. Many different modeling types with varying levels of detail are considered and compared. These include complete solid modeling with layered solid elements as well as combined shell / solid modeling. Additionally, pure shell modeling is considered using pre-integrated shell sections. Both by using a smeared stiffness method and by discreetly assigning stiffness properties. An overview of the theories behind these methods is given. The model is embedded into the Composite Laminate Toolbox for MATLAB, from which the APDL input file is created and executed. A mass optimization of the design parameters is performed with respect to stiffness constraints using the surrogate optimization provided by MATLAB. The optimal solutions are compared to an unstiffened aluminium plate with equivalent stiffness. By direct comparison of the required mass, the immense lightweight potential of the Skin-Grid-Structure is demonstrated.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die strukturmechanische Analyse des historischen Flugzeugflügels der Nr. 21 von Gustav Weißkopf sowie des Nachbaus Nr. 21B, um strukturelle Eigenschaften der Flügelkonstruktion bewerten und damit ein Indiz bzw. Gegenindiz für die Flugfähigkeit der Nr. 21 liefern zu können, sowie einen Einstieg in die Themenstellung der simulatorischen Bewertung der Nr. 21 zu schaffen. Hierfür wird ein Modell erstellt, um die Machbarkeit der Simulationen mit numerischen Lösungsverfahren, sowie Fragen der Modellierung bewerten zu können. Auf der Basis einer Lastabschätzung für die verschiedenen Flugzustände, sowie einer berechneten Druckverteilung über den Flügel mit der allgemeinen Wirbelgittermethode werden die Spannungen und Verformungen in den Bambusholmen und in den Spannseilen des Flügels für die Belastungen im Flug ermittelt und bewertet. Einen wichtigen strukturellen Teil der Konstruktion stellt der Prozess der Vorspannung des Flügels über die Spannseile dar, welcher gesondert betrachtet und der Einfluss auf die Festigkeit im Flug beleuchtet wird. Des Weiteren werden verschiedene geometrische, formliche und lastverstärkende Variationen durchgeführt und bezüglich ihrer Flugtauglichkeit sowie der strukturellen Verbesserung diskutiert und dahingehend bewertet, dass ein Flug aus festigkeitstechnischen Gesichtspunkten möglich gewesen ist. Als Simulationsprogramm für die Validierung vorausgegangener strukturmechanischer Untersuchungen mit der Finiten-Elemente-Methode wurde ANSYS verwendet.
Zahlreiche Branchen befinden sich derzeit im Wandel, sodass die Nutzung der additiven Fertigung zunehmend attraktiver wird. Die Luft- und Raumfahrttechnik hat den Nutzen bereits erkannt und forscht an den Anwendungsmöglichkeiten. Hierbei können beispielsweise Bauteile aus Titan hergestellt werden, die hochfest und gleichzeitig ultraleicht sind. Dieses Potenzial will auch der Maschinenbau für sich nutzen, denn die derzeitige Produktion sieht folgendermaßen aus: Es werden kostspielige Kunststoffeinzelbauteile als Prototypen für mechanische Konstruktionen hergestellt, allerdings erst vor Beginn der Serienproduktion. Aufgrund der entstehenden Abweichungen in Maß-, Form- und Lagegenauigkeiten nach der Fertigung und hohen Änderungskosten werden die Konstrukteure zur Verantwortung gezogen. Jedoch legen die Betroffenen größtenteils ihre Bauteile nach den gelehrten und gelernten Grundsätzen, beispielsweise der Allgemeintoleranz DIN ISO 2768, aus. Hierbei wird allerdings die statische und dynamische Auslegung der Bauteile vernachlässigt, deren Auswirkungen einen signifikanten Einfluss auf die Qualität und Lebensdauer haben. Rapid-Prototyping ermöglicht das Entgegenwirken anfallender Unkosten während der Produktentstehungsphase. Die hergestellten Prototypen können nach der Produktdefinition in ihrem Einsatzgebiet getestet werden und im Vorfeld wertvolle Informationen zugunsten der Fehlerbehebung liefern. Rapid-Prototyping fasst als Überbegriff verschiedene generativer Fertigungsverfahren (engl. additive manufacturing, AM) zusammen. Hiermit ist eine weitgehend automatisierte Herstellung von Einzelteilen, auf Basis dreidimensionaler Konstruktionsdaten, möglich. Das wesentliche Alleinstellungsmerkmal additiver Fertigungsverfahren ist die werkzeuglose, schichtweise Fertigung. Der allgemein bekannte Grundsatz, dass zunehmende Geometriekomplexität der Bauteile mit steigenden Kosten einhergeht, verliert hier seine Gültigkeit. Wichtig an dieser Stelle ist, dass Änderungen noch bis kurz vor der Bauteilfertigung vorgenommen werden können, ohne eine Kostenzunahme für das Endprodukt zu befürchten. Unverkennbar ist das hohe Potenzial für eine dynamische Produktentwicklung.
Die vorliegende Arbeit soll einen ersten Einblick für den realen Einsatz von additiv hergestellten Prototypen liefern. Hierbei liegt der Fokus auf der Frage ob und in welcher Weise diese Prototypen als Ersatz zum konventionell hergestellten Kunststoffzahnrad in Frage kommen. Für diese Untersuchung sind Erfahrungswerte unabdingbar.
In many domains of X-ray spectroscopy, such as materials science, bio-imaging and astronomy, large silicon detectors form the heart of the imaging process. Adequate cooling is a prerequisite for an optimum operation. Dark current can thus be minimized, the effects of radiation damage limited, and reverse annealing and thermal runaway avoided [1], [2].
A so-called active interposer (AI), a narrow 76 x 76 mm² silicon cooling plate with an embedded microchannel network designed for large pn-CCDs, which also takes local heat fields into account, is evaluated by equivalent test structures. Unlike the commonly used massive cooling frames, time spent on cool-down and warm-up may being reduced, miss match in coefficient of thermal expansion (CTE) limited and thermal paths are shortened [3]–[5]. It also serves as a silicon circuit board (SiCB) allowing a dense integration into a tiled-like, large-scale focal plane arrangement with little inactive area.
The equivalent test structure was monitored and supplied with coolant by a high-pressure pump in a vacuum chamber. An analytical as well as a CFD model in ANSYS-Fluent were created to verify, compare, and thoroughly investigate the thermal and hydrodynamic parameters. First tests have shown that temperature gradients below 4°C can be achieved at a power dissipation of 22 watts, with an average temperature increase of 7.5 degrees Celsius at Reynolds numbers below 750. Initial conclusions about the microchannel cooling (MCC) capacity could be drawn and the dependence between temperature gradients and flow rates has been verified.
Last but not least, the experiments have provided first indication that an active interposer and the associated supply system are feasible, paving the way for further steps to increase practicality and functionality in cooling of large semiconductor detectors.
Diese Arbeit wurde extern bei der Firma TQ-System durchgeführt. Die Firma bietet seit kurzem ein Modul an, das über Hardwarebeschleunigung für neuronale Netze verfügt. Das Ziel der Arbeit ist es, für dieses TQ-Modul eine Demoapplikation zu erstellen, die dessen Fähigkeiten mit Machine Learning präsentiert. Im Zuge dieser Demo ist ein motorisiertes Modellauto in der Lage, selbstständig und nur mithilfe einer Weitwinkelkamera entlang einer abgesteckten Strecke zu steuern. Das Vorbild, dessen Ansatz bei der Entwicklung verfolgt wurde, ist ein 2016 demonstriertes selbstfahrendes Auto von Nvidia. Das Programm ist vollständig in Python geschrieben. Das verwendete Framework, mithilfe dessen das neuronale Netz erstellt und trainiert wurde, ist TensorFlow. Die Steuerung des Fahrzeugs funktioniert trotz begrenztem Entwicklungsaufwand und wenig Training sehr gut. Das Modellauto bleibt zuverlässig auf der Strecke und dank der Hardwarebeschleunigung bleibt die Berechnungszeit des trainierten neuronalen Netzes unter einer Millisekunde.
Microacoustic radio frequency filters are essential electronic components for all devices using wireless communication. For miniaturization and cost reduction it is necessary to further reduce the area for the electrical contacts on the chip. CPB (copper pillar bump) interconnections on radio frequency filters can release valuable chip design area of up to 26 % compared to standard SB (solder bump) interconnections on a Qualcomm TFAP (Thin Film Acoustic Package). We developed a process to deposit CPB interconnections on microacoustic radio frequency filters. A 1.20 mm × 1.60 mm SAW (surface acoustic wave) LTE (Long Term Evolution) band 26 duplexer with a height of 0.20 mm including the CPB interconnections was investigated. Unbiased highly accelerated stress test, damp heat steady state, dry heat, and temperature cycling reliability tests have shown that the new interconnection technology fulfills the reliability requirements of the smart device industry. Two failure modes caused by extended temperature cycling were identified via scanning acoustic microscopy and scanning electron microscopy analyses on cross sections.
In this paper a new method for sensitivity recalibration of capacitive MEMS microphones is presented. Recalibration can be applied to compensate ageing or environmental influences. Recalibration can be done by measuring the sensitivity for only one bias voltage after a stress test. A microphone with a variable bias voltage can measure its pull-in voltage. Unfortunately, the drift of the pull-in voltage does not correlate with the sensitivity drift. So a true self-calibration without a defined acoustical test signal was impossible.
In this paper we present a systematic method to determine sets of close to optimal sensor calibration points for a polynomial approximation.
For each set of calibration points a polynomial is used to fit the nonlinear sensor response to the calibration reference. The polynomial parameters are calculated using ordinary least square fit. To determine the quality of each calibration, reference sensor data is measured at discrete test conditions. As an error indicator for the quality of a calibration the root mean square deviation between the calibration polynomial and the reference measurement is calculated. The calibration polynomials and the error indicators are calculated for all possible calibration point sets. To find close to optimal calibration point sets, the worst 99% of the calibration options are dismissed. This results in a multi-dimensional probability distribution of the probably best calibration point sets.
In an experiment, barometric MEMS (micro-electromechanical systems) pressure sensors are calibrated using the proposed calibration method at several temperatures and pressures. The framework is applied to a batch of six of each of the following sensor types: Bosch BMP085, Bosch BMP180, and EPCOS T5400. Results indicate which set of calibration points should be chosen to achieve good calibration results.
This paper describes a novel method for trimming a low noise, differential micro-electromechanical system (MEMS) microphone with a state of the art signal to noise ratio (SNR) of 66 dB(A) and a sensitivity of -38 dBV/Pa @ 1 kHz after completing the fabrication process. The method allows compensating the electroacoustic variations caused by process tolerances and reducing specification limits of the microphone sensitivity from ±3 dB to ±0.5 dB. Trimming is done by programming the bias supply voltage of the capacitive membrane-backplate-system and the gain factor of the output pre-amplifier. Microphone sensitivity can be modified within a range of 11.2 dB. Thus the standard deviation of the sensitivity of a production batch could be reduced from 0.97 dB to 0.11 dB. Furthermore the SNR could be increased to 66.5 dB(A).
Barometric MEMS pressure sensors must be calibrated at several temperatures and pressures. The fewer calibration points are needed to fulfill a sensor specification, the faster sensor production is. This paper proposes a polynomial approach for determining optimal sensor calibration, using the minimum number of calibration points necessary. In an experiment the framework is applied to the following sensor types: Bosch BMP085, Bosch BMP180, and EPCOS T5400. Influences of temperature operation range and pressure range are discussed in the experiment. Further, optimal calibration point suggestions are identified.
Die Arbeit behandelt die Frage, inwiefern Benutzerinformation in der Fahrzeugautomatisierung als Unterstützung für den Fahrer relevant ist. Hierbei wird die Relevanz anhand des Verlaufs der Fahrzeugautomatisierung in Stufen erörtert. Anschließend werden zentrale Aspekte der Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) hinsichtlich ihrer Relevanz analysiert. Darüber hinaus wird ein erstes Konzept für die Umsetzung entworfen.
Als Beleg für die Relevanz von Benutzerinformation dient der Informationsbedarf des Nutzers. Dieser wird durch die Evolution der Fahrzeugautomatisierung verursacht, da der Mensch weiterhin in die Fahraufgabe involviert sein wird. Die Arbeit schließt angesichts der Herausforderungen der MMI auf zusätzlichen Informationsbedarf. Durch die Automatisierung nimmt die Komplexität des Fahrzeugs zunächst zu, was Benutzerinformation auch aus Nutzersicht rechtfertigt. Dazu besteht das Risiko, dass der Nutzer „out-of-the-loop“ und aus mangelndem Systemverständnis der Kontrolle automatisierter Fahrzeuge bei Systemausfällen nicht gewachsen ist. Aus der graduellen Entwicklung und den Herausforderungen wird auf die Relevanzkriterien Handlungsbedarf und Defizite gefolgert.
Zusätzlich werden Lösungsansätze im Umfeld der MMI für Fahrzeugautomatisierung untersucht, die den Informationsbedarf potenziell vermindern. Die Analyse von Ansätzen aus der kooperativen Fahrzeugführung, intuitiven Interaktionskonzepten und der Individualisierung von Fahrzeugen legt offen, dass der Informationsumfang reduziert werden kann. Die Reduktion wird jedoch durch neuen Informationsbedarf aus den zuvor genannten Ansätzen kompensiert.
Auf einer übergeordneten Betrachtungsebene wird deutlich, dass durch die Fahrzeugautomatisierung eine langjährige Übergangsphase entsteht, die technologische oder konzeptionelle Einschränkungen verursacht. Dies erhöht die Relevanz von Benutzerinformation. Ebenso verhält es sich mit der Differenzierung der Marktteilnehmer hinsichtlich ihrer Interaktions- und Fahrzeugkonzepte. Negativer Einfluss auf die Relevanz geht von den Faktoren Standardisierung und Automatisierungsfortschritt aus, die Benutzerinformation auf lange Sicht minimieren. Die Unterstützung der Bildung von Akzeptanz und von Mentalen Modellen bildet dagegen ein zentrales Argument für Benutzerinformation, bis die Entwicklung abgeschlossen ist.
Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird ein grundlegendes Konzept erarbeitet. Als erstes werden Zielsetzungen für die Benutzerinformation formuliert. Es folgt eine Gegenüberstellung dreier aktueller Ansätze für Benutzerinformation aus dem Automobil- und Software-Bereich. Darauf aufbauend werden Anforderungen entwickelt. Die Unterscheidung zweier Use Cases und die Produktintegration bilden das Konzeptfundament. Als integrierte Instanz muss Benutzerinformation zudem kontextsensitiv, individuell, multimedial, adaptiv, relevant und operativ geartet sein.
Benutzerinformation kann sich implementierte Systeme einerseits für eine priorisierte und großflächige Anzeige, andererseits für eine Sicherstellung der Kontextsensitivität zunutze machen.
Die vorliegende Ausarbeitung enthält Vorträge und Vorlesungen an der Fachhochule München, die sich nach Jahr 2000 angesammelt haben und im Rahmen eines Seminars im Dezember 2015 an der Akademie des „Münchner Arbeitskreises für Sachverständige“ (MAS) vorgetragen wurden. Die Ausarbeitung war auf Kraftfahrzeug-Sachverständige ausgerichtet, also nicht nur für Ladungssicherungs-fachleute angelegt.
An zahlreichen Stellen wurden zusätzliche Anmerkungen und auch Texte nach dem Kurs eingefügt, die Erläuterungen zu einzelnen Folien oder Sachverhalten geben, um einzelne Aussagen besser verständlich zu machen.
Die hier vorgestellte Studie befasst sich mit Sicherungsfragen von Schüttgütern in Bigbags und Säcken auf Straßenfahrzeugen. Allein schon Schüttgüter sind ein nicht ausreichend bearbeitetes Gebiet. Noch schwieriger wird die Schüttgutladung in Bigbags im Transport. Eine Ausarbeitung insbesondere zu theoretischen Fragen stößt schnell in unbekanntes Terrain vor. Sie kann oft nur Lösungsansätze und Wege aufzeigen, da das Fachgebiet noch eine Vielzahl nicht ausreichend untersuchter Felder hat. Ein Ziel der Studie soll es sein, einen Arbeitsansatz aufzuzeigen.
Daneben sollen Hintergrundinformationen zu der neuen VDI-Richtlinie Blatt 18 der 2700 geben. Eine Reihe von Aussagen und Vorgehensweisen dieser Richtlinie bedürfen einer ergänzenden Erläuterung, da sie in einer Richtlinie nicht umfassend erklärt werden können.