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High-performance Ag–Se-based n-type printed thermoelectric (TE) materials suitable for room-temperature applications have been developed through a new and facile synthesis approach. A high magnitude of the Seebeck coefficient up to 220 μV K–1 and a TE power factor larger than 500 μW m–1 K–2 for an n-type printed film are achieved. A high figure-of-merit ZT ∼0.6 for a printed material has been found in the film with a low in-plane thermal conductivity κF of ∼0.30 W m–1 K–1. Using this material for n-type legs, a flexible folded TE generator (flexTEG) of 13 thermocouples has been fabricated. The open-circuit voltage of the flexTEG for temperature differences of ΔT = 30 and 110 K is found to be 71.1 and 181.4 mV, respectively. Consequently, very high maximum output power densities pmax of 6.6 and 321 μW cm–2 are estimated for the temperature difference of ΔT = 30 K and ΔT = 110 K, respectively. The flexTEG has been demonstrated by wearing it on the lower wrist, which resulted in an output voltage of ∼72.2 mV for ΔT ≈ 30 K. Our results pave the way for widespread use in wearable devices.
Printed Electronics technology is a key-enabler for smart sensors, soft robotics, and wearables. The inkjet printed electrolyte-gated field effect transistor (EGFET) technology is a promising candidate for such applications due to its low-power operation, high field-effect mobility, and on-demand fabrication. Unlike conventional silicon-based technologies, inkjet printed electronics technology is an additive manufacturing process where multiple layers are printed on top of each other to realize functional devices such as transistors and their interconnections. Due to the additive manufacturing process, the technology has limited routing layers. For routing of complex circuits, insulating crossovers are printed at the intersection of routing paths to isolate them. The crossover can alter the electrical properties of a circuit based on specific location on a routing path. In this work, we propose a crossover-aware placement and routing (COPnR) methodology for inkjet-printed circuits by integrating the crossover constraints in our design framework. Our proposed placement methodology is based on a state-of-the-art evolutionary algorithm while the routing optimization is done using a genetic algorithm. The proposed methodology is compared with the industrial standard placement and routing (PnR) tools. On average, the proposed methodology has 38% fewer crossovers and 94% fewer failing paths compared to the industrial PnR tools applied to printed circuit designs.
Morphological transition of a rod-shaped phase into a string of spherical particles is commonly observed in the microstructures of alloys during solidification (Ratke and Mueller, 2006). This transition phenomenon can be explained by the classic Plateau-Rayleigh theory which was derived for fluid jets based on the surface area minimization principle. The quintessential work of Plateau-Rayleigh considers tiny perturbations (amplitude much less than the radius) to the continuous phase and for large amplitude perturbations, the breakup condition for the rod-shaped phase is still a knotty issue. Here, we present a concise thermodynamic model based on the surface area minimization principle as well as a non-linear stability analysis to generalize Plateau-Rayleigh’s criterion for finite amplitude perturbations. Our results demonstrate a breakup transition from a continuous phase via dispersed particles towards a uniform-radius cylinder, which has not been found previously, but is observed in our phase-field simulations. This new observation is attributed to a geometric constraint, which was overlooked in former studies. We anticipate that our results can provide further insights on microstructures with spherical particles and cylinder-shaped phases.
A Hybrid Optoelectronic Sensor Platform with an Integrated Solution‐Processed Organic Photodiode
(2021)
Hybrid systems, unifying printed electronics with silicon‐based technology, can be seen as a driving force for future sensor development. Especially interesting are sensing elements based on printed devices in combination with silicon‐based high‐performance electronics for data acquisition and communication. In this work, a hybrid system integrating a solution‐processed organic photodiode in a silicon‐based system environment, which enables flexible device measurement and application‐driven development, is presented. For performance evaluation of the integrated organic photodiode, the measurements are compared to a silicon‐based counterpart. Therefore, the steady state response of the hybrid system is presented. Promising application scenarios are described, where a solution‐processed organic photodiode is fully integrated in a silicon system.
In der vorliegenden Arbeit werden fotografische Aufnahmen zweier verschiedener Abgüsse von Paganinis rechter Hand vorgestellt und näher beschrieben. Es handelt sich um einen mutmaßlich originalen Bronzeabguss, der vermutlich kurz nach Paganinis Tod auf dessen Totenbett abgenommen wurde, und eine in heutiger Zeit angefertigte Kopie aus Fiberplastik mit goldfarbenem Anstrich. Die Hand ist im proximalen Handgelenk stark abgewinkelt, was dafür spricht, dass die Hand des Toten auf einem Kissen gelegen haben könnte, um den Abguss vorzunehmen. Überdies zeigt sich eine verkrampfte Stellung der Finger und Hand, am ehesten infolge Totenstarre. Man findet zudem arthrotische Veränderungen sowie hervortretende Sehnen und atrophierte Muskulatur. Beim Bronzeabguss sind die beschriebenen Auffälligkeiten deutlicher zu erkennen. Ein 3D-Scan des Bronzeabgusses der rechten Hand Paganinis mit einem Strukturlichtscanner würde die Möglichkeit eröffnen, Messdaten der Hand zu erhalten.
Neurostimulation durch Musik
(2020)
Was ist die Musik und wie wirkt sie sich auf den menschlichen Körper aus? Historisch betrachtet wird die Musik als etwas Göttliches aufgefasst, da sie eine äußerst große Wirkung auf die Emotionen des Menschen besitzt. Dieser Effekt wirkt sich auch psychosomatisch aus und kann das Denken und Handeln des Zuhörers beeinflussen und steuern. So lässt sich beispielsweise das Kaufverhalten allein durch die musikalische Begleitung deutlich manipulieren. Selbst die Motivation lässt sich mit passender Vertonung entweder steigern oder reduzieren. In der heutigen Zivilisation begleitet die Musik den Menschen alltäglich und wird zu vielen verschiedenen Zwecken verwendet. Somit ist die musikalische Stimulation als eine Art Psychotherapie zu werten, die häufig gezielt angewendet wird, aber im Beeinflussten unterbewusst stattfindet. Da natürlich immer noch offene Fragen bezüglich der genauen Wirkung von Musik auf das Gehirn bestehen, werden derzeit im Bereich der Neurowissenschaften viele Studien durchgeführt, um dieses Phänomen nachvollziehen zu können.
In der vorliegenden Arbeit wurde die von Wilhelm His Sr. angefertigte und im Jahr 1895 publizierte Fotografie des mutmaßlichen Skeletts von Johann Sebastian Bach auf ihre Abbildungsqualität untersucht. Dies erfolgte durch direkte Messungen an einem digitalen Scan der Fotografie. Dabei wurde der von His der Fotografie beigelegte Lineal-Maßstab in mehrere 10-cm-Stücke unterteilt und die Länge dieser Abschnitte im Digitalisat mit dem Messinstrument von Adobe Acrobat ausgemessen. Darüber hinaus wurden die Längen der Femora ermittelt und mit den Maßen verglichen, die 1895 an den tatsächlichen (realen) Knochen ermittelt wurden. In dem Digitalisat entsprachen 190 cm im Lineal 244,48 mm. Der Mittelwert der 19 bestimmten 10-cm-Abschnitte betrug 100,49 mm (Median 100,49 mm, Standardabweichung 0,49 mm). Die historische Femurlänge links betrug 443,5 mm, rechts 451,0 mm. Die im Digitalisat ermittelte Femurlänge betrug links 443,8 mm, rechts 451,1 mm. Zusätzlich wurden die projizierten Centrum-Collum-Diaphysen-Winkel bestimmt. Die Daten lassen den Schluss zu, dass die Oben/unten-Verzerrung sowie die Rechts/links-Verzerrung nicht nennenswert sind und das von His angefertigte Foto mit einer hohen Genauigkeit der Abbildungsqualität und des Linsenapparats der Kamera angefertigt wurde, die es ermöglicht, bestimmte Skelettanteile aussagekräftig zu beurteilen und auszumessen.
Optimisation based economic despatch of real-world complex energy systems demands reduced order and continuously differentiable component models that can represent their part-load behaviour and dynamic responses. A literature study of existing modelling methods and the necessary characteristics the models should meet for their successful application in model predictive control of a polygeneration system are presented. Deriving from that, a rational modelling procedure using engineering principles and assumptions to develop simplified component models is applied. The models are quantitatively and qualitatively evaluated against experimental data and their efficacy for application in a building automation and control architecture is established.
Cooling towers or recoolers are one of the major consumers of electricity in a HVAC plant. The implementation and analysis of advanced control methods in a practical application and its comparison with conventional controllers is necessary to establish a framework for their feasibility especially in the field of decentralised energy systems. A standard industrial controller, a PID and a model based controller were developed and tested in an experimental set-up using market-ready components. The characteristics of these controllers such as settling time, control difference, and frequency of control actions are compared based on the monitoring data. Modern controllers demonstrated clear advantages in terms of energy savings and higher accuracy and a model based controller was easier to set-up than a PID.
Silicon (Si) has turned out to be a promising active material for next‐generation lithium‐ion battery anodes. Nevertheless, the issues known from Si as electrode material (pulverization effects, volume change etc.) are impeding the development of Si anodes to reach market maturity. In this study, we are investigating a possible application of Si anodes in low‐power printed electronic applications. Tailored Si inks are produced and the impact of carbon coating on the printability and their electrochemical behavior as printed Si anodes is investigated. The printed Si anodes contain active material loadings that are practical for powering printed electronic devices, like electrolyte gated transistors, and are able to show high capacity retentions. A capacity of 1754 mAh/gSi is achieved for a printed Si anode after 100 cycles. Additionally, the direct applicability of the printed Si anodes is shown by successfully powering an ink‐jet printed transistor.
Mass transfer phenomena in membrane fuel cells are complex and diversified because of the presence of complex transport pathways including porous media of very different pore sizes and possible formation of liquid water. Electrochemical impedance spectroscopy, although allowing valuable information on ohmic phenomena, charge transfer and mass transfer phenomena, may nevertheless appear insufficient below 1 Hz. Use of another variable, that is, back pressure, as an excitation variable for electrochemical pressure impedance spectroscopy is shown here a promising tool for investigations and diagnosis of fuel cells.
Experimental Investigation of the Air Exchange Effectiveness of Push-Pull Ventilation Devices
(2020)
The increasing installation numbers of ventilation units in residential buildings are driven by legal objectives to improve their energy efficiency. The dimensioning of a ventilation system for nearly zero energy buildings is usually based on the air flow rate desired by the clients or requested by technical regulations. However, this does not necessarily lead to a system actually able to renew the air volume of the living space effectively. In recent years decentralised systems with an alternating operation mode and fairly good energy efficiencies entered the market and following question was raised: “Does this operation mode allow an efficient air renewal?” This question can be answered experimentally by performing a tracer gas analysis. In the presented study, a total of 15 preliminary tests are carried out in a climatic chamber representing a single room equipped with two push-pull devices. The tests include summer, winter and isothermal supply air conditions since this parameter variation is missing till now for push-pull devices. Further investigations are dedicated to the effect of thermal convection due to human heat dissipation on the room air flow. In dependence on these boundary conditions, the determined air exchange efficiency varies, lagging behind the expected range 0.5 < εa < 1 in almost all cases, indicating insufficient air exchange including short-circuiting. Local air exchange values suggest inhomogeneous air renewal depending on the distance to the indoor apertures as well as the temperature gradients between in- and outdoor. The tested measurement set-up is applicable for field measurements.
Bei bimodaler Cochlea-Implantat-/Hörgerät-Versorgung kann es aufgrund seitenverschiedener Signalverarbeitung zu einer zeitlich versetzten Stimulation der beiden Modalitäten kommen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass durch zeitlichen Abgleich der Modalitäten die Schalllokalisation bei bimodaler Versorgung verbessert werden kann. Um solch einen Abgleich vornehmen zu können, ist die messtechnische Bestimmung der Durchlaufzeit von Hörgeräten erforderlich. Kommerziell verfügbare Hörgerätemessboxen können diese Werte häufig liefern. Die dazu verwendete Signalverarbeitung wird dabei aber oft nicht vollständig offengelegt. In dieser Arbeit wird ein alternativer und nachvollziehbarer Ansatz zum Design eines simplen Messaufbaus basierend auf einem Arduino DUE Mikrocontroller-Board vorgestellt. Hierzu wurde ein Messtisch im 3D-Druck gefertigt, auf welchem Hörgeräte über einen 2-ccm-Kuppler an ein Messmikrofon angeschlossen werden können. Über einen Latenzvergleich mit dem simultan erfassten Signal eines Referenzmikrofons kann die Durchlaufzeit von Hörgeräten bestimmt werden. Frequenzspezifische Durchlaufzeiten werden mittels einer Kreuzkorrelation zwischen Ziel- und Referenzsignal errechnet. Aufnahme, Ausgabe und Speicherung der Signale erfolgt über einen ATMEL SAM3X8E Mikrocontroller, welcher auf dem Arduino DUE-Board verbaut ist. Über eigens entworfene elektronische Schaltungen werden die Mikrofone und der verwendete Lautsprecher angesteuert. Nach Abschluss einer Messung (Messdauer ca. 5 s) werden die Messdaten seriell an einen PC übertragen, auf dem die Datenauswertung mittels MATLAB erfolgt. Erste Validierungen zeigten eine hohe Stabilität der Messergebnisse mit sehr geringen Standardabweichungen im Bereich weniger Mikrosekunden für Pegel zwischen 50 und 75 dB (A). Der Messaufbau wird in laufenden Studien zur Quantifizierung der Durchlaufzeit von Hörgeräten verwendet.
In this paper, we describe the PALM model system 6.0. PALM (formerly an abbreviation for Parallelized Large-eddy Simulation Model and now an independent name) is a Fortran-based code and has been applied for studying a variety of atmospheric and oceanic boundary layers for about 20 years. The model is optimized for use on massively parallel computer architectures. This is a follow-up paper to the PALM 4.0 model description in Maronga et al. (2015). During the last years, PALM has been significantly improved and now offers a variety of new components. In particular, much effort was made to enhance the model with components needed for applications in urban environments, like fully interactive land surface and radiation schemes, chemistry, and an indoor model. This paper serves as an overview paper of the PALM 6.0 model system and we describe its current model core. The individual components for urban applications, case studies, validation runs, and issues with suitable input data are presented and discussed in a series of companion papers in this special issue.
This work compares the performance of Bluetooth Mesh implementations on real chipsets against the ideal implementation of the specification. Measurements are taken in experimental settings and reveal non-idealities in the underlying Bluetooth Low Energy specification in real chipsets and in the implementation of Mesh, which introduces an unruly transmission as well as reception behavior. These effects lead to an impact on transmission rate, reception rate, latency, as well as a more significant impact on the average power consumption.
Oxide semiconductors have the potential to increase the performance of inkjet printed microelectronic devices such as field-effect transistors (FETs), due to their high electron mobilities. Typical metal oxides are n-type semiconductors, while p-type oxides, although realizable, exhibit lower carriermobilities. Therefore, the circuit design based on oxide semiconductors is mostly in n-type logic only. Here we present an inkjet printed pn-diode based on p- and n-type oxide semiconductors.Copper oxide or nickel oxide is used as p-typesemiconductor whereas n-typesemiconductor is realized with indium oxide. Themeasurements show that the pn-diodes operate in the voltage window typical for printed electronics and the emission coefficient is 1.505 and 2.199 for the copper oxide based and nickel oxidebased pn-diode, respectively.Furthermore, a pn-diode model is developed and integrable into a circuit simulator.
Fünf Jahre vor seinem Tod, im Jahr 1932, wurde der berühmte französische Komponist Maurice Ravel (1875–1937), der an einer frontotemporalen Demenz (M. Pick) mit primär progressiver Aphasie litt, bei einem Unfall verletzt, als er in einem Pariser Taxi saß. In diesem Fallbericht wird der Unfallmechanismus unter bestimmten Annahmen dargestellt und diskutiert. Ausgehend von diesen Überlegungen ist ein Unfall bei geringer Kollisionsgeschwindigkeit wahrscheinlich. Trotz eines Unfalls mit nur geringer Geschwindigkeit ist nicht von der Hand zu weisen, dass dieser Unfall zumindest zu einer deutlichen Verschlimmerung der Krankheitssymptome geführt haben könnte, da Ravel seit diesem Taxiunfall bis zu seinem Tod keine weiteren Kompositionen mehr vollendet hat.
In dieser Arbeit wird ein historischer Fallbericht des bis heute weit über seine Landesgrenzen bekannten italienischen Kriminalanthropologen Cesare Lombroso (1835–1909) vorgestellt. In diesem Fallbericht wird der berüchtigte und psychisch auffällige Dieb Pietro Bersone mit Hilfe eines sog. Hydrosphygmographen überführt, einem zur damaligen Zeit neuartigen technischen Gerät, das den Puls nicht-invasiv aufzeichnen konnte. Lombroso ist vermutlich einer der ersten, wenn nicht sogar der erste, der durch den Einsatz eines solchen Geräts die Idee zum „Lügendetektor“ vorweggenommen hat. Die vorgestellte Textstelle aus Lombrosos Buch „Neue Fortschritte in den Verbrecherstudien“ ist daher ein besonderes Fundstück auch für die Geschichte der Polygraphie.