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, Fahrwerkregelung, 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 -elemente 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 Bimorphstrukturen
- 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 verfiziert werden konnten:
- Meßgrößenempfindlichkeit & Überlastsicherheit
- Modenselektion und -entkopplung
- Erhöhung des elektromechanischen Wirkungsgrades
- Studium der Aufbau- & Verbindungstechnik Einflüsse
- Temperaturkompensation
Weitergehende 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
