Elektrothermisch aktuiertes magnetostatisch bistabiles Mikrorelais für Schaltmatrizen

Viele Mikroaktoren dienen der Interaktion eines technischen Systems mit einer makroskopischen Umgebung. Im Gegensatz zu Mikrosensoren sind sie daher nicht beliebig miniaturisierbar. Bei lateralen Abmessungen im Millimeterbereich ist eine Kostenreduzierung daher nur durch robuste Fertigungsprozesse und kostengünstige Werkstoffe in Verbindung mit einem speziell darauf angepassten Systemkonzept möglich. Diese Aspekte sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit und werden am Beispiel eines auf elektrothermischer polymerer Mikroaktorik basierenden bistabilen Mikrorelais erforscht. Der bis ins Jahr 1978 zurückreichende Stand der Technik umfasst mehr als 80 Mikrorelaiskonzepte, wobei bis heute keine kommerzielle Variante bekannt ist, die auf Grund annähernd vergleichbarer Eigenschaften als Ersatz für klassische Signalrelais (z.B. Tyco Axicom P1 V23026) Anwendung findet. Basierend auf einer Analyse der veröffentlichten Konzepte, dem Einbeziehen von alternativen Werkstoffen und dem Kombinieren von feinmechanischen und mikrotechnischen Fertigungstechnologien, wird ein neuartiges, elektrothermisch aktuiertes, magnetostatisch bistabiles Mikrorelais samt robustem Herstellungsprozess entwickelt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der eingesetzten polymeren Mikroaktorik. Diese muss einerseits eine Kontaktkraft > 6 mN für einen stabilen Kontaktwiderstand 30 µm für eine ausreichende Isolationsfestigkeit > 500 V bei geringem Bauraum (< 1 x 4 x 0,3 mm³) zur Verfügung stellen. Die thermischen Ausdehnungskörper sind zur Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen als Pseudo-Bimorph ausgelegt und werden aus dem epoxidbasierten Negativphotoresist SU-8 mittels UV-Tiefenlithographie gefertigt. Die Funktionsintegration des bistabilen Haltemechanismus und des elektrischen Kontaktsystems wird durch die gleichzeitige Nutzung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften mikrogalvanisch strukturierter Nickelelemente realisiert. Miniaturmagnete erzeugen das erforderliche Magnetfeld, weshalb das Mikrorelais außerhalb der Schaltvorgänge keine elektrische Leistung aufnimmt. Der bei Mikrosystemen große Anteil des Gehäuses am Gesamtbauraum sinkt deutlich beim Übergang zu einer Schaltmatrix, bei der nur ein Gehäuse für alle auf dem Substrat befindlichen Einzelrelais benötigt wird. Im Rahmen der Arbeit entsteht ein analytisch geschlossenes Modell zur statischen und dynamischen Beschreibung der polymeren Mikroantriebe, das mit numerischen Finite-Elemente-Rechnungen (ANSYS) und umfangreichen Messungen an aufgebauten Demonstratoren sehr gut übereinstimmt. Zur Beschreibung des magnetostatisch bistabilen Kontaktsystems wird die analytische Herleitung der qualitativen Kraftwirkung erarbeitet. Die absoluten Kraftbeträge werden auf Grund der komplexen Magnetfeldgeometrie numerisch (CST EM Studio) ermittelt. In beiden Fällen ist der Einfluss aller Parameter auf die Mikroaktorik bzw. auf das Kontaktsystem ausführlich diskutiert. Im Bereich der Technologieforschung werden alternative Substratmaterialien zum Silizium wie FR-4 und Keramik und die Auswirkungen auf die Fertigungsprozesse untersucht. Neben der Kombination von Verfahren der Feinmechanik und der Mikrotechnik sind auch der Einsatz unempfindlicher Mikrogalvanik mit wartungsarmen Nickel- und Kupferelektrolyten und die Prozessoptimierung im Bereich der UV-Tiefenlithographie mit Schichtdicken > 200 µm zentrale Aspekte dieser Arbeit. Insgesamt werden acht unterschiedliche Demonstratorversionen auf über 350 4-Zoll-Substraten im institutseigenen Reinraum eigenhändig gefertigt. Ergebnisse sind unter anderem die vollständige Charakterisierung der polymeren Mikroaktorik, der bistabilen Mikrorelais und der darauf basierenden Schaltmatrizen. Die Mikroaktoren weisen typische Kennwerte von 29 mN Blockierkraft und 60 µm Leerlaufauslenkung bei einer Steuerleistung von 120 mW auf. Langzeituntersuchungen der aufgebauten Mikrorelais konnten mit über zwei Millionen nachgewiesenen Schaltspielen ohne einen Ausfall erfolgreich absolviert werden. Der Kontaktwiderstand der Relais liegt bei einer Kontaktkraft von ca. 9 mN im Bereich 1,5 A bei 5 V an Luft ermöglicht. Die Kombination aus robuster Fertigungstechnologie und neuartigem Relaiskonzept ermöglicht es erstmals, mit dem vorgestellten Mikrorelais an die Kennwerte von klassischen Signalrelais heran zu reichen. Die vorliegende Arbeit zeigt das Potential kostengünstiger, polymerer, bidirektionaler Mikroaktorik in einer exemplarischen Anwendung und ermöglicht die Weiterführung in zwei grundsätzlich unterschiedliche Forschungsrichtungen: Zum einen können auf Basis des vorgestellten Relaisentwurfs und der Fertigungsprozesse weitere Dickschicht-Mikrosysteme, wie Mikroventile, optische Mikroschalter und smarte Sensor-Aktor-Systeme entstehen. Zum anderen kann die vielversprechende Integration von Verfahren der Feinmechanik in Form von z.B. Mikrofräsen, Mikrolaserbearbeitung oder Mikrospritzguss weiter untersucht und optimiert werden. Dabei können weitere Mikroaktorsysteme, wie beispielsweise mobile haptische Braille-Displays, realisiert werden. Kostengünstige polymere Mikroaktorik kann auf diese Weise in vielen Bereichen Anwendung finden, wofür die vorliegende Arbeit wesentliche Grundsteine legt

Cost Fairness for Blockchain-Based Two-Party Exchange Protocols

Blockchains can guarantee fairness during the exchange of digital goods such that in a two-party exchange no one is defrauded by a malicious opponent. While several notions of fairness have been discussed in the literature, they all ignore that damage cannot only be incurred by the malicious failure of the exchange, but also by an unfair allocation of transaction costs. To address this issue we: 1. define the novel concept of cost fairness, which 2. builds on the notion of maximum cost matrices that formalize transaction costs in different combinations of benevolent and malicious behavior. 3. We show how limited notions of cost fairness can be achieved by modifying an existing exchange protocol or using a container protocol. In particular, we also provide 4. a tool that let us predict the maximum cost matrix for a specific protocol execution and, thus, gives trade exchange parties the possibility to weigh not only the value of transaction of exchanged goods but also the associated transaction costs

Satellitengestützte Vermessung von städtischem Grün in deutschen Städten

Urbane Grünflächen besitzen vielfältige Funktionen und sind als Bereitsteller von Ökosystemleistungen von zentraler Bedeutung. Sie dienen als Naherholungsflächen für die Stadtbevölkerung, als Lebensraum für Flora und Fauna und verbessern die Luftqualität. Mit Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus werden Satellitendaten in einer hohen geometrischen Auflösung sowie mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Abdeckung kostenlos zur Verfügung gestellt. Die Aufnahmen der Sentinel-2 Satelliten des Copernicus Programms werden in dieser Analyse verwendet, um urbane Grünflächen in deutschen Städten zu kartieren. Um phänologische Einflüsse abzubilden wird der Jahresgang der Vegetation anhand eines Medianmosaiks bzw. über Vegetationsindizes berücksichtigt. Darauf aufbauend wurde eine Methodik zur Landnutzungs-/Landbedeckungsklassifikation auf Basis von LUCAS Referenzpunkten entwickelt und getestet. Die hohe Gesamtgenauigkeit von 92,3 % zeigt, dass innerstädtische Grünflächen mithilfe flächendeckender Satellitendaten in hohem Detailgrad erfasst werden können

Transannular interactions in [2.2] phanes as studied by luminescence and optical detection of magnetic resonance

Emission spectra of different types of [2.2] naphthalenophanes were measured at 1.25 K in glasses as well as in small single crystals. In addition, the D and E values of the excited triplet states were studied by optical detection of magnetic resonance in zero field and the results compared with the corresponding monomeres

Excited electronic states of flavin-containing coenzyme models

In order to gain further insight into the physical basis of flavin-catalyzed reactions, the interactions of a flavin with a second flavin and with other aromatic ring systems were studied. For this purpose compounds through 1 were synthesized These compounds contain the interacting units in defined geometric orientation. A monomeric flavin and glutathione reductase a flavoenzyme of known active-site chemistry, were included as reference molecules. The present report deals with excited triplet states of the flavin compounds as studied by optical spectroscopy and optically detected magnetic resonances (ODMR) at 1.3K

Transannular interactions in [2.2] phanes as studied by magnetic resonance and optical spectra

The interaction of &#960;-electrons in [2.2] phanes was studied both experimentally and theoretically. The fluorescence and phosphorescence spectra were measured at liquid helium temperature; in addition, the zero field splitting parameters D and E were determined by ODMR in zero field and by ordinary ESR at X-band. The results for the phanes with two identical aromatic units can be summarized as follows: The rather small reduction of the D and E values of the order of 10% with respect to the monomers indicates, in agreement with the theoretical treatment given in part II, that the two unpaired electrons of the excited triplet state have a high probability to be at a given time in the same half of the molecule. While the fluorescence spectra show the typical behaviour of emission spectra of dimers or excimers, the phosphorescence spectra exhibit some remaining structure. This behaviour which indicates a somewhat weaker coupling among the triplet orbitals as compared to the singlet orbitals can also be understood on the basis of theoretical considerations. For a phane with two different aromatic units the behaviour is found to be more similar to the corresponding aromatic monomer with the lower excited states with some perturbation by the other part of the phase also in agreement with theoretical expectation

2000 land-use regressions for road traffic noise predictions – how sample selection affects extrapolation weights

The awareness that noise exposure is critical for human health is growing around the globe, and land-use regressions (LURs) are becoming a popular tool for producing noise exposure maps. One important factor for noise emissions is road traffic. The propagation in this regard is determined by the spatial layout of road infrastructure and the surrounding environment, respectively. LURs use geostatistical models and allow to extrapolate microphone measurements. In this study, we investigated whether models are prone to sampling artifacts. We used yearly averaged Lden simulations, compliant to the European noise directive 2002/49/EG, as input for 2000 virtual field campaigns. We permuted different sampling schemes (random, systematic, stratified) and sizes (n = 50, 100, 200, 500 to 1000) 100 times. The overall model performances varied substantially between 0.61 – 0.95 for R², 1.94 – 7.46 dB(A) for mean absolute error and 2.47 – 10.03 dB(A) for root mean squared error. Comparing the eventual model terms using variance analyses (ANOVA), we found significant differences between the sampling schemes for traffic information and land cover (e.g. vegetated surfaces) features. Simultaneously, less than half of the LURs’ weights differed significantly depending on the sampling size. Thus, our experiments give an in-depth view on the mechanics of LUR and their sensitivity with respect to sampled training data

Towards a methodical framework for comprehensively assessing forest multifunctionality

Funded by Deutsche Forschungsgemeinschaft. Grant Number: DFG FOR 891/1-3 National Natural Science Foundation of China. Grant Numbers: 30710103907, 30930005, 31170457, 31210103910 Swiss National Science Foundation (SNSF) Sino-German Centre for Research Promotion in Beijing. Grant Number: GZ 986Peer reviewedPublisher PD

Increased betulinic acid induced cytotoxicity and radiosensitivity in glioma cells under hypoxic conditions

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Betulinic acid (BA) is a novel antineoplastic agent under evaluation for tumor therapy. Because of the selective cytotoxic effects of BA in tumor cells (including gliomas), the combination of this agent with conservative therapies (such as radiotherapy and chemotherapy) may be useful. Previously, the combination of BA with irradiation under hypoxic conditions had never been studied.</p> <p>Methods</p> <p>In this study, the effects of 3 to 30 μM BA on cytotoxicity, migration, the protein expression of PARP, survivin and HIF-1α, as well as radiosensitivity under normoxic and hypoxic conditions were analyzed in the human malignant glioma cell lines U251MG and U343MG. Cytotoxicity and radiosensitivity were analyzed with clonogenic survival assays, migration was analyzed with Boyden chamber assays (or scratch assays) and protein expression was examined with Western blot analyses.</p> <p>Results</p> <p>Under normoxic conditions, a half maximal inhibitory concentration (IC₅₀) of 23 μM was observed in U251MG cells and 24 μM was observed in U343MG cells. Under hypoxic conditions, 10 μM or 15 μM of BA showed a significantly increased cytotoxicity in U251MG cells (p = 0.004 and p = 0.01, respectively) and U343MG cells (p < 0.05 and p = 0.01, respectively). The combination of BA with radiotherapy resulted in an additive effect in the U343MG cell line under normoxic and hypoxic conditions. Weak radiation enhancement was observed in U251MG cell line after treatment with BA under normoxic conditions. Furthermore, under hypoxic conditions, the incubation with BA resulted in increased radiation enhancement. The enhancement factor, at an irradiation dose of 15 Gy after treatment with 10 or 15 μM BA, was 2.20 (p = 0.02) and 4.50 (p = 0.03), respectively. Incubation with BA led to decreased cell migration, cleavage of PARP and decreased expression levels of survivin in both cell lines. Additionally, BA treatment resulted in a reduction of HIF-1α protein under hypoxic conditions.</p> <p>Conclusion</p> <p>Our results suggest that BA is capable of improving the effects of tumor therapy in human malignant glioma cells, particularly under hypoxic conditions. Further investigations are necessary to characterize its potential as a radiosensitizer.</p

HIF-1α inhibition by siRNA or chetomin in human malignant glioma cells: effects on hypoxic radioresistance and monitoring via CA9 expression

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Hypoxia induces activation of the HIF-1 pathway and is an essential characteristic of malignant gliomas. Hypoxia has been linked to tumor progression, therapy resistance and poor prognosis. However, little is known about the impact of HIF-1α inhibition on radioresistance of malignant glioma.</p> <p>Methods</p> <p>In this study, we investigated the effects of the inhibition of HIF-1α on cell survival and radiosensitivity in U251MG and U343MG glioma cells, using two different strategies. HIF-1α inhibition was achieved by siRNA targeting of HIF-1α or via chetomin, a disruptor of interactions between HIF-1α and p300. The inhibition of the HIF-1 pathway was monitored by quantitative real-time PCR and Western blot analyses of the expression levels of HIF-1α and CA9. CA9 expression was investigated as a potential indicator of the efficacy of HIF-1 inhibition and the resulting radiosensitivity of malignant glioma cell lines was determined by clonogenic assay after irradiation under normoxic (2-10 Gy) or hypoxic (2-15 Gy) conditions.</p> <p>Results</p> <p>Although siRNA and chetomin show distinct modes of action, both attenuated the hypoxia-induced radioresistance of malignant glioma cell lines U251MG (DMF₁₀: 1.35 and 1.18) and U343MG (DMF₁₀: 1.78 and 1.48). However, siRNA and chetomin showed diverse effects on radiosensitivity under normoxic conditions in U251MG (DMF₁₀: 0.86 and 1.35) and U343MG (DMF₁₀: 1.33 and 1.02) cells.</p> <p>Conclusions</p> <p>Results from this <it>in vitro </it>study suggest that inhibition of HIF-1α is a promising strategy to sensitize human malignant gliomas to radiotherapy and that CA9 could serve as an indicator of effective HIF-1-related radiosensitization.</p