Vortrag an der Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik
Institut für Technische Akustik
Barkhausenbau
2. Dezember 1992
Dipl.-Phys. Thomas Fabula
Institut für Mikro- und Informationstechnik,
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.,
VS-Villingen, Wilhelm-Schickard-Straße 10
Abstract
Beim Entwurf von mikromechanischen Bauelementen kommt der Simulation mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) eine wichtige Bedeutung zu, da sie bereits in der Entwurfsphase gestattet, die technologisch zu realisierenden Funktionsprinzipien und die prozeß-technischen Randbedingungen zu berücksichtigen. Aufgrund der Miniaturisierung und des hohen Integrationsgrades zeigen die Bauelemente eine starke Wechselwirkung verschiedener physikalischer Einflußgrößen, die zu einer Überlagerung von unerwünschten Störeinflüssen führen können.
“Mikromechanik befaßt sich mit Entwurf, Herstellung und Anwendung dreidimensionaler mechanischer Strukturen und Systeme, deren Abmessungen in mindestens einer Dimension so klein sind, daß feinmechanische Formgebungsverfahren nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden können.” aus S. Büttgenbach, Mikromechanik, 1991
Vortrag
Der Vortrag geht auf die Untersuchungen und Optimierung von resonanten mikromechanischen Sensoren ein, die durch ihr frequenzanaloges Ausgangssignal für die Präzisionsmessung verschiedener physikalischer Größen (z.B. Kraft, Druck) besonders geeignet sind.
Mit Hilfe dynamischer FE-Berechnungen werden die Eigenfrequenzen und Schwingungsformen bestimmt und der Einfluß der zu untersuchenden Meßgröße (Druck- bzw. Kraftempfindlichkeit) ermittelt. Bei der Berechnung des Frequenzgangverhaltens wird die Anregung über piezoelektrische Dünnschichtsysteme mit berücksichtigt und das mechanische Amplitudenspektrum und der elektrische Impedanzverlauf ermittelt. Durch einen Vergleich mit elektrischen und optischen Messungen werden die Grenzen der FE-Berechnungsmethode und die erreichbaren Modellierungsgenauigkeiten aufgezeigt.
“Sehr geehrter Herr Fabula, für Ihre Bereitschaft, an unserem Institut über die Einsatzmöglichkeiten der Finite-Element-Methode in der Mikrosystemtechnik vorzutragen, danke ich Ihnen. Wir möchten Sie deshalb zu einem zweitägigen Aufenthalt am Institut für Technische Akustik einladen. Damit haben wir neben dem Vortrag ausreichend Zeit, Ihnen unser Institut vorzustellen und fachliche Probleme zu besprechen.” ~ Prof. Dr.-Ing. habil. Arno Lenk, Geschäftsführender Leiter, ITA
Technische Universität Dresden
Lecture at the Technical University of Dresden
Abstract
In the design of micromechanical components, simulation using the finite element method (FEM) plays an important role, since it allows the functional principles to be realized technologically and the process-related boundary conditions to be taken into account already in the design phase.
Due to the miniaturization and the high degree of integration, the components show a strong interaction of different physical influencing variables, which can lead to a superposition of undesired disturbing influences.
“Micromechanics is concerned with the design, manufacture, and application of three-dimensional mechanical structures and systems whose dimensions are so small in at least one dimension that precision mechanical shaping processes can no longer be usefully employed.” from S. Büttgenbach, Micromechanics, 1991.
Lecture
The lecture deals with the investigation and optimization of resonant micromechanical sensors, which are particularly suitable for the precision measurement of various physical quantities (e.g. force, pressure) due to their frequency-analog output signal.
Dynamic FE calculations are used to determine the natural frequencies and vibration modes, and to determine the influence of the measurand under investigation (pressure or force sensitivity). When calculating the frequency response, the excitation via piezoelectric thin-film systems is taken into account and the mechanical amplitude spectrum and the electrical impedance curve are determined. By comparison with electrical and optical measurements, the limits of the FE calculation method and the achievable modeling accuracies are shown.