@phdthesis{Weigl, author = {Weigl, Stefan}, title = {Development of a sensor system for human breath acetone analysis based on photoacoustic spectroscopy}, doi = {10.5283/epub.44776}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:355-epub-447768}, pages = {xlii, 282}, abstract = {The breath analysis section of this thesis outlines the potentials but also emphasises the concomitant challenges of human breath analysis. The section further describes the usefulness of a point-of-care (POC) device for breath acetone detection. In addition, it covers various breath analysis related subjects, which can be useful considering further developments of breath analysers. This includes an extensive summary involving the high abundant endogenous as well as the exogenous breath species present in a clinical environment. Subsequently, a detailed discussion about the theoretical aspects of absorption spectra is provided, forming the basis for the spectral interference chapter. Classical absorption spectroscopy (AS) is compared with photoacoustic spectroscopy (PAS) in view of trace gas analysis. Different modulation schemes for signal generation, i.e. amplitude modulation (AM) and wavelength modulation (WM) are part of the comparison, while the advantages and disadvantages of each technique are highlighted. As a result, PAS is considered superior to AS and hence is selected as the method of choice regarding the development of a sensor for breath acetone detection. A detailed mathematical derivation of the photoacoustic signal generation as well as the signal enhancement by means of acoustic resonance amplification is provided. Moreover, several phenomena causing signal attenuation are outlined, including vibrational-translational (VT) relaxation, vibrational-vibrational (VV) energy transfer mechanism, acoustic detuning and photodissociation. Various simulations regarding spectral interferences in the infra-red (IR) and ultraviolet (UV) region are presented, demonstrating the susceptibility towards spectral cross-sensitivities in the IR region, hence, rather suggesting the UV region for acetone detection. However, this simulation can be easily adopted to other target analytes and serves as a basis for multicomponent analysis approaches in the IR region using tuneable light sources. Ultra sensitive acetone detection employing a high power UV LED is presented and a detailed analysis considering the effects of environmental parameters onto the photoacoustic signal, including temperature, pressure, LED duty cycle and flow rate, is provided. In addition, general cross-sensitivities of the photoacoustic signal towards the high abundant species O2, CO2 and H2O have been investigated and discussed. Moreover, several LED and photoacoustic cell (PAC) combinations have been compared in order to evaluate improvement approaches regarding an enhancement of the system's sensitivity. Finally, photoacoustic sensor setups employing an interband cascade laser (ICL) or a quantum cascade laser (QCL) have been studied and compared to various UV setups in view of different key performance parameters, including the limits of detection (LOD) and the normalised noise equivalent absorption (NNEA) coefficients. The juxtaposition of the different approaches once more emphasises the extraordinary sensitivity of photoacoustic spectroscopy. To the best of the author's knowledge, the LODs (3σ) of the UV LED based photoacoustic measurement in typical breath conditions (12.5 ppbV) and the LOD of the QCL measurement (0.79 ppbV) provide two world records. First, regarding photoacoustic acetone detection using an UV LED and second, in view of other published results for photoacoustic acetone detection in general.}, language = {en} } @phdthesis{Jonker2023, author = {Jonker, Dirk}, title = {Advanced nanofabrication techniques for electron emission devices}, isbn = {978-90-365-5632-3}, doi = {10.3990/1.9789036556323}, pages = {362}, year = {2023}, abstract = {The goal of this thesis is to develop an electron injection source based on a cold field emission cathode that ultimately functions as an alternative electron source used during the Birch reduction process. The experimental configuration to conduct an alternative Birch reduction involves the combination of various physical domains, including solid-state physics, physics of interfaces, electrochemistry, and fluid dynamics. The body of this thesis discusses the fabrication and characterization of a silicon nanocone array. It also presents a self-aligned method to incorporate an electronic gate structure that may function as an extractor grid. The emission behavior and transport properties of the silicon nanocones are assessed by scanning tunneling microscopy by performing measurements on flat silicon and silicon nanocone surfaces containing different dopant types and doping concentrations. Furthermore, additional experimental work is conducted to replace a thermally grown silicon dioxide layer with platinum silicide and characterize the electrical properties by means of scanning tunneling microscopy. Lastly, the thesis discusses the fabrication of two plasmonic structures and evaluates the plasmonic modes, surface enhancement, and Raman activity.}, language = {en} } @phdthesis{Lindner, author = {Lindner, Matthias}, title = {Miniaturisierte dielektrische Barrierenentladungen und ihre Anwendung f{\"u}r das Anti- bzw. De-Icing von aerodynamischen Oberfl{\"a}chen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:384-opus4-1118933}, pages = {XI, 155}, abstract = {Das grundlegende physikalische Verst{\"a}ndnis und die kontinuierliche Weiterentwicklung von dielektrischen Oberfl{\"a}chenbarrierenentladungen (SDBDs) sowie der damit erbundenen elektrischen Diagnostik, sind f{\"u}r eine Vielzahl von Niedertemperaturplasmaanwendungen von entscheidender Bedeutung. In Bezug auf die Anwendung dieser Plasmatechnologie in der Luftfahrt liegt neben der bereits umfassend erforschten aktiven Str{\"o}mungskontrolle zunehmend der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Eisablagerungen auf aerodynamischen Komponenten. Die Bildung von Eis auf Oberfl{\"a}chen wie zum Beispiel den Tragfl{\"a}chen kann unter extremen Wetterbedingungen erhebliche Leistungsdefizite hervorrufen und zu ernsthaften Sicherheitsrisiken f{\"u}hren. In Anbetracht der signifikanten Vorteile gegen{\"u}ber traditionellen Enteisungsmethoden steht die Erforschung von SDBDs im Mittelpunkt des anwendungsorientierten Abschnitts dieser Arbeit. Vorliegende Arbeit untergliedert sich in einen grundlegenden und einen anwendungsbezogenen Teil. Darin werden sowohl die physikalischen Eigenschaften und Prozesse von SDBDs analysiert als auch ihre potenziellen Anwendungen in Bezug auf Flugsicherheit und Effizienz untersucht. Die wissenschaftliche Forschung hat in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen, um ein umfassendes Verst{\"a}ndnis der physikalischen Vorg{\"a}nge, die im Zusammenhang mit SDBDs stehen, zu erarbeiten. Insbesondere die pr{\"a}zise Bestimmung der r{\"a}umlichen Ausdehnung der Entladung entlang der dielektrischen Oberfl{\"a}che - die {\"u}blicherweise in direkter Proportionalit{\"a}t zur Amplitude der angelegten Spannung steht - ist hierbei eine herausfordernde Aufgabe. Diese umfangreichen Studien sind essenziell, um die Entladungseigenschaften und die grundlegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, was erhebliche Anwendungspotenziale er{\"o}ffnet. Parallel zu diesen grundlegenden Studien hat sich auch der praktische Einsatz von SDBDs zur Verhinderung der Eisbildung auf aerodynamischen Bauteilen bedeutend weiterentwickelt. Untersuchungen legen nahe, dass L{\"o}sungen auf Basis von SDBDs im Vergleich zu konventionellen Enteisungsmethoden, wie beispielsweise chemischen Enteisungsmitteln oder thermischen Systemen, ein h{\"o}heres Effizienz- und Wirkungspotential besitzen k{\"o}nnten. Allerdings wurden bisherige Entwicklungen von SDBDs haupts{\"a}chlich auf Basis der Leiterplattentechnologie realisiert, was bestimmte Begrenzungen in Bezug auf ihre Anwendbarkeit f{\"u}r Anti-Icing- Technologie mit sich bringt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die sequentielle Ausbreitung der SDBD-Entladung entlang der dielektrischen Al2O3-Oberfl{\"a}che systematisch analysiert. Die durchgef{\"u}hrten experimentellen Untersuchungen zeigten, dass die Entladungen unmittelbar nach dem Erreichen der Z{\"u}ndspannung einen fest definierten Bereich belegen, der bis zum Erreichen einer kritischen Spannungsamplitude VL stabil bleibt. Anzumerken ist auch, dass das Ausbleiben der Plasmaausbreitung innerhalb dieses Spannungsbereichs zu einer linearen Korrelation zwischen der Entladungsleistung und der angelegten Spannungsamplitude f{\"u}hrt. Diese tiefergehenden Einblicke in die Dynamik der Entladung k{\"o}nnen dazu beitragen, den Einsatz von SDBDs in diversen Anwendungsbereichen effizienter zu gestalten. Im zweiten Teil der Arbeit steht die Entwicklung und Implementierung eines innovativen Ansatzes zur Realisierung von SDBDs im Vordergrund, der auf der Nutzung von D{\"u}nnschichtsubstra-Vten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basiert. Die Verwendung dieser Technologie erlaubt einen pr{\"a}ziseren Design- und Fertigungsprozess von Elektrodenstrukturen, was sich positiv auf die Effizienz der Enteisung auswirken kann. Zur Beurteilung des Anti-Icing-Potenzials der entwickelten MEMS-SDBDs wurde ein direkter Vergleich mit konventionellen PCB-SDBDs durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die 35 μm dicken Elektroden der PCB-SDBDs eine Oberfl{\"a}chenvereisung f{\"o}rdern, die vorrangig durch die Elektrodenkanten induziert wird. Im Gegensatz dazu wurde dieser Effekt bei den deutlich d{\"u}nneren, lediglich 0.3 μm dicken, mittels MEMS gefertigten Elektroden nicht festgestellt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass SDBDs, die mit MEMS-Technologien gefertigt wurden, einen signifikanten Vorteil in Anti-Icing-Anwendungen aufweisen k{\"o}nnten und stellen somit einen wesentlichen Fortschritt in der Forschung und Anwendung von SDBDs dar. Die in dieser Arbeit vorgelegten Forschungsergebnisse und innovativen Methoden liefern zahlreiche neue Erkenntnisse, die das Potential besitzen, sowohl das Verst{\"a}ndnis als auch die Anwendung von SDBDs wesentlich zu erweitern. So best{\"a}tigen die Langzeitbelichtungsaufnahmen das neu entdeckte Ph{\"a}nomen einer sequenziellen Ausbreitung des Entladungsplasmas, das bei SDBDs mit dickeren Dielektrika st{\"a}rker ausgepr{\"a}gt ist. Eine neu entwickelte Methodik erm{\"o}glicht die Anwendung der Ladungs-Spannungs-Charakteristik von SDBDs, um essenzielle Parameter f{\"u}r ein vereinfachtes Ersatzschaltbild abzuleiten. Dar{\"u}ber hinaus wurde eine bemerkenswerte numerische {\"U}bereinstimmung zwischen der Ladungs-Spannungs-Charakteristik f{\"u}r den positiven Halbzyklus der Entladung und der aus den optischen Aufnahmen abgeleiteten spannungsabh{\"a}ngigen Reaktorkapazit{\"a}t festgestellt. Diese Erkenntnisse {\"o}ffnen neueWege f{\"u}r die Optimierung und Anwendung von SDBDs in verschiedenen technischen Bereichen. Weiterhin identifizierte die durchgef{\"u}hrte Erosionsstudie Titan als optimal geeignetes Material f{\"u}r MEMS-Elektroden aufgrund seiner hohen Korrosionsbest{\"a}ndigkeit und ausgezeichneten elektrischen Leitf{\"a}higkeit. Es wurden auch Potentiale zur Optimierung von MEMS-SDBDs durch die Auswahl geeigneter dielektrischer Materialien und geeigneter SDBD-Geometrien aufgezeigt. Eine solche Optimierung k{\"o}nnte die Enteisungseffizienz weiter verbessern, indem beispielsweise die dielektrischen Eigenschaften an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden. Innovative Designkonzepte, wie eine gezielte Anordnung der Elektroden oder die Integration von Sensoren zur {\"U}berwachung des Enteisungsprozesses, k{\"o}nnten ebenfalls zur Leistungsf{\"a}higkeit und Zuverl{\"a}ssigkeit von MEMS-SDBDs beitragen. Ein weiterer bedeutender Aspekt ist die Anwendung von Piezotransformatoren zur Generierung der ben{\"o}tigten Hochspannung f{\"u}r SDBD-Systeme. Dieser innovative Ansatz k{\"o}nnte die Effizienz des auf SDBD-Technologie basierenden Enteisungsverfahrens optimieren und somit zur Verbesserung der Leistungsf{\"a}higkeit und Sicherheit von Flugzeugen unter extremen Wetterbedingungen beitragen. Das Forschungsfeld bietet viel Raum f{\"u}r zuk{\"u}nftige Studien, was die Bedeutung und Zukunftsrelevanz der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse hervorhebt.}, subject = {Kaltes Plasma}, language = {de} } @phdthesis{Berndt, author = {Berndt, Dominik}, title = {Thermische Wasserstoffsensoren f{\"u}r den Automobilbereich}, address = {Regensburg}, abstract = {F{\"u}r den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich {\"u}berwachen, um m{\"o}glichen Entz{\"u}ndungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Daf{\"u}r wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren f{\"u}r einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erf{\"u}llen m{\"u}ssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erh{\"a}ltlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte. In der vorliegenden Arbeit wurde f{\"u}r zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips f{\"u}r die Detektion von Wasserstoff im Kontext dieser Sicherheitskriterien untersucht. Dabei wurden mit einem MEMS-Sensor und einem Mikrodrahtsensor zwei vergleichsweise einfache Geometrien herangezogen, welche den eindimensionalen und zylindersymmetrischen Fall abbilden sollen. F{\"u}r zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Str{\"o}me und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des Sensorelements in Abh{\"a}ngigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen erg{\"a}nzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r den gepulsten Betrieb sowohl die Pulsh{\"o}he als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgr{\"o}ße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabh{\"a}ngigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse best{\"a}tigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t und Aufl{\"o}sungsgrenze der Auswertung der Pulsh{\"o}he deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb k{\"o}nnen durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich h{\"o}here Genauigkeiten und Aufl{\"o}sungsgrenzen erzielt werden. F{\"u}r den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Aufl{\"o}sungsgrenze f{\"u}r einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis m{\"a}ßig erh{\"o}ht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivit{\"a}t, womit die Divergenz in der Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erkl{\"a}rt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabh{\"a}ngigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abh{\"a}ngigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich f{\"u}r die Zeitkonstante relevant, bei der Pulsh{\"o}he besteht keine Druckabh{\"a}ngigkeit. Es konnte eine grunds{\"a}tzliche Eignung des thermischen Messprinzips f{\"u}r den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. F{\"u}r eine Anwendung m{\"u}ssen allerdings Referenzsensoren f{\"u}r Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abh{\"a}ngigkeit dieser Gr{\"o}ßen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der h{\"o}heren Genauigkeit zu bevorzugen. W{\"a}hrend der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit}, subject = {Kraftfahrzeugtechnik}, language = {de} } @phdthesis{Hoeller, author = {H{\"o}ller, Christoph}, title = {Indirect methods of obtaining activity and mobility of structure-borne sound sources}, publisher = {University of Liverpool}, address = {Liverpool}, abstract = {The work reported in this thesis focuses on the development of indirect methods for the experimental determination of important source parameters for structure-borne sound source characterization. In the first part of the thesis, matrix inversion methods for the determination of blocked forces are investigated. A simplified measurement procedure is proposed which offers a solution to the two major challenges to these methods, namely the acquisition of the FRF matrix and the problems associated with matrix inversion. The proposed procedure involves a free, low-mobility receiver plate which is modelled numerically. Calculated FRFs are used together with measured velocity responses to inversely determine the blocked forces. It is found that while the method has great potential in principle, in practice the accurate modelling of the receiver plate is of critical importance. In the second part of the thesis, three formulations are considered for the indirect determination of source mobility. Instead of performing measurements on the source in the free state, the source mobility is obtained from measurements made in-situ. This approach is beneficial if the source is difficult to suspend, or if it contains non-linear structural elements. The three formulations are validated numerically and experimentally. It is found that the methods can quantify source mobilities of single-contact and multi-contact sources from in-situ measurements. However, typical measurement errors, such as background noise or inaccuracies in sensor positioning, can significantly reduce the accuracy and reliability of the methods. In the final part of the thesis, the reception plate method for the determination of the power injected by a high-mobility source into a low-mobility receiver is reviewed, and a source substitution method proposed as a development. The substitution method circumvents problems that may arise when the reception plate method is applied to coupled walls and floors. A special focus of investigation is on the calibration of the receiver structure. It is found that the calibration can be performed with shaker or hammer, and that an average calibration factor may be used. The source substitution method thus offers a potential alternative to the reception plate method, for application with coupled plates.}, language = {en} }