Fachvortrag : Haus der Technik im Rahmen der Tagung “Mikrotechnik im Automobilbau”
Designoptimierung mikrotechnischer Sensoren mit Finite-Element-Modellierung
Die Entwicklung der Mikroelektronik hat in den letzten drei Jahrzehnten zu einer außerordentlichen Steigerung der Komplexität und der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen geführt bei gleichzeitiger Reduktion der Strukturgrößen, der Leistungsaufnahme und des Preises. Dadurch wurden große Bereiche der Technik und des täglichen Lebens grundlegend verändert. Für das weitere Vordringen der Mikroelektronik in neue Anwendungsgebiete ist bei den Elementen zur Anbindung der mikroelektronischen Signalverarbeitung an die Umwelt – Sensoren und Aktoren – ebenfalls ein Entwicklungsschub bezüglich Integrationsgrad und Miniaturisierung notwendig.
Die Mikrotechnik geht zur Lösung dieser Aufgabe von den hochentwickelten Fertigungsverfahren der Mikroelektronik aus und entwickelt sie so weiter, daß elektronische, optische und mechanische Funktionen zu komplexen Systemen integriert werden können, die durch Kombination von Sensoren, Aktoren und Signalverarbeitung vor Ort völlig neue Leistungsmerkmale eröffnen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden mikrotechnische Systeme zukünftig in breiten Anwendungsfeldern neue Maßstäbe setzen und volkswirtschaftlich außerordentlich wichtig werden.
Einer der wichtigsten Einzelmärkte für mikrotechnische Produkte ist der Automobilbau. Der verfügbare Bauraum im Fahrzeug wird zukünftig kaum größer werden, die Zahl der zusätzlichen technischen Funktionen wird jedoch bedingt durch Umweltschutzmaßnahmen, erhöhte Sicherheitsanforderungen und Komfortansprüche weiter anwachsen. Der im Fahrzeug zur Verfügung stehende Bauraum muß daher wesentlich funktionsdichter genutzt werden, woraus sich der Zwang zur Miniaturisierung ergibt. Mikrotechnische Bauelemente können unter anderem für Motormanagement, Getriebesteuerung, Fahrwerksregelung, Navigation, Diagnose- und Sicherheitssysteme eingesetzt werden.
Computer-Aided-Engineering
Der Einsatz von rechnergestützten CAE-Werkzeugen im Produktentstehungsprozess (PEP) und späteren Fertigung verkürzt durch Reduktion der Prototypenanzahl die Produktionszeiten und trägt somit zu einer erheblichen Kostenreduktion der Gesamtentwicklung bei. Numerische Berechnungen mit Hilfe der Finite-Element Methode (FEM) stellen ein effektives Hilfsmittel dar, bereits in der Entwurfsphase Bauteile und Bauelemente qualitätssichernd auszulegen und anwendungsspezifisch zu optimieren. FEM-Berechnungen lassen sich über den gesamten Produkt-Lebenszyklus (PLM) gewinnbringend einsetzen, um optimierte neue Lösungsvorschläge zu erarbeiten und diese anschließend in verbesserte Konstruktionen umzusetzen.
Designoptimierung
Optimierungsbeispiele für folgende Sensorkonzepte, u.a. auf der Basis des frequenzanalogen Meßprinzips, wurden vorgestellt und verschiedene Designvorschläge mit experimentellen Daten realisierter MEMS-Sensoren verglichen:
- Resonanter Membrandrucksensor
- Dreifachbalken-Kraftsensor
- Piezoelektrische Bimorph-Strukturen
- Elektrothermischer Strömungssensor
- Resonanter BOD-Drucksensor
Zusammenfassung
Die durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, daß der Einsatz der FE-Methode sich für folgende Bereiche anbietet:
- Simulation im mikrotechnischen Entwurf
- Verifikation eines Funktionsprinzips (Sensorkonzept)
- Studium des Bauteilverhaltens (Parametervariation)
- Berücksichtigung prozeßtechnischer Einflüsse
- Interpretationshilfe bei Messungen
- Bestimmung von Dünnschicht-Materialdaten
- Unterstützung bei der Prozeßentwicklung
Die Designoptimierung mikrotechnischer hergestellter Sensoren konnte experimentell mit Hilfe elektrischer und optischer Meßverfahren nachgewiesen werden, so daß unterschiedliche Funktionsprinzipien und Wirkmechanismen erfolgreich in der Praxis verifiziert werden konnten:
- Meßgrößenempfindlichkeit & Überlastsicherheit
- Modenselektion und Modenentkopplung
- Erhöhung des elektromechanischen Wirkungsgrades
- Studium der Aufbau- & Verbindungstechnik Einflüsse
- Temperaturkompensation
Weiterführende Informationen
Weitere Informationen zum “Dynamisches Verhalten mikromechanischer Strukturen und deren Finite Elemente Simulation zur Entwurfsunterstützung sowie deren meßtechnische Verifikation” finden sich detailliert beschrieben in der PhD-Thesis.
Haus der Technik e.V. in Essen: www.hdt-essen.de
Mikrotechnik im Automobilbau
Leitung: Prof. Dr.rer.nat. Stephanus Büttgenbach
Referenten
- Dr.-Ing. Hocine Bezzaoui
- Dipl.-Ing. Stefan Dauer
- Dr. F. Dettmann
- Dr. Thomas Doll
- Dipl.-Ing. Ingo Ederer
- Prof. Dr.-Ing. Karsten Ehlers
- Prof. Dr. Ignaz Eisele
- Dr.rer.nat Thomas Fabula
- Prof. Dr. Rainer Kassing
- Dr.rer.nat. Franz Lärmer
- Dipl.-Phys. Udo Nothelfer
- Dr.rer.nat. Bertram Schmidt
- Dr. Peter Vörsmann
Technical lecture: Haus der Technik in the context of the conference “Microtechnology in Automotive Engineering
Design optimization of microtechnical sensors with finite element modeling
Over the past three decades, the development of microelectronics has led to an extraordinary increase in the complexity and performance of integrated circuits with a simultaneous reduction in structural sizes, power consumption and price. This has fundamentally changed large areas of technology and daily life. For the further penetration of microelectronics into new areas of application, a development thrust is also necessary with regard to the degree of integration and miniaturization of the elements for connecting microelectronic signal processing to the environment – sensors and actuators.
To solve this task, microtechnology takes the highly developed manufacturing processes of microelectronics as its starting point and develops them further in such a way that electronic, optical and mechanical functions can be integrated into complex systems that open up completely new performance characteristics by combining sensors, actuators and signal processing on site. Because of these properties, microtechnical systems will set new standards in broad fields of application in the future and become extremely important in economic terms.
One of the most important individual markets for microtechnical products is automotive engineering. The available installation space in vehicles will hardly increase in the future, but the number of additional technical functions will continue to grow due to environmental protection measures, increased safety requirements and comfort demands. The space available in the vehicle will therefore have to be used in a much more functionally compact way, resulting in the need for miniaturization. Microtechnical components can be used for engine management, transmission control, chassis control, navigation, diagnostic and safety systems, among others.
Computer-Aided-Engineering
The use of computer-aided engineering (CAE) tools in the product development process (PDP) and later manufacturing shortens production times by reducing the number of prototypes and thus contributes to a considerable cost reduction of the overall development. Numerical calculations using the finite element method (FEM) are an effective tool for designing components and assemblies in the design phase to ensure quality and to optimize them for specific applications. FEM calculations can be used profitably throughout the entire product life cycle (PLM) to develop optimized new solution proposals and subsequently implement them in improved designs.
Design optimization
Optimization examples for the following sensor concepts, among others based on the frequency-analog measurement principle, were presented and different design proposals were compared with experimental data of realized MEMS sensors:
- Resonant Membrane Pressure Sensor
- Triple beam force sensor
- Piezoelectric bimorph structures
- Electrothermal flow sensor
- Resonant BOD pressure sensor
Summary
The work carried out has shown that the use of the FE method is suitable for the following areas:
- Simulation in micro-technical design
- Verification of a functional principle (sensor concept)
- Study of the component behavior (parameter variation)
- Consideration of process-technical influences
- Interpretation aid for measurements
- Determination of thin film material data
- Support during process development
The design optimization of micro-engineered sensors could be experimentally proven by electrical and optical measurement methods, so that different functional principles and mechanisms could be successfully verified in practice:
- Measured variable sensitivity & overload safety
- Mode selection and mode decoupling
- Increase of the electromechanical efficiency
- Study of assembly & connection technology Influences
- Temperature compensation
Further Information
Further information on “Dynamic behavior of micromechanical structures and their finite element simulation for design support as well as their metrological verification” can be found described in detail in the PhD thesis.