Fachtagung
Simulation mit der Finite-Element-Methode
in Feinwerk- und Mikrotechnik
FH München
Optimierung resonanter mikromechanischer Sensoren für mechanische Größen
Abstract
Der Vortrag geht auf die numerische und experimentelle Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens resonanter Mikrosensoren ein. Den Schwerpunkt bildet die Simulation frequenzanaloger Druck- und Kraftsensoren auf der Basis resonanter, mikromechanischer Silizium-Bimorphstrukturen, sowie die Charakterisierung der meßgrößen-abhängigen Frequenzänderung.
Zur Beschreibung des lastabhängigen dynamischen Verhaltens frequenzanaloger Sensoren wurden FE-Modelle entwickelt und unter Berücksichtigung geometrischer Nichtlinearitäten, insbesondere spannungsversteifender Effekte, Dimensionierungs-vorschläge erarbeitet.
Mit Hilfe gekoppelter Feldberechnungen (Multiphysics) wurden die piezoelektrischen Bimorph-Wandler modelliert und das dynamische Verhalten unter Berücksichtigung der elektro-mechanischen Anregung beschrieben, sowie Entwurfsregeln zur anwendungsspezifischen Optimierung abgeleitet. So wurden für unterschiedliche Piezoelektrika (AlN, ZnO, PZT) der Geometrie-Einfluß auf den effektiven elektro-mechanischen Kopplungsfaktor (k_eff) simuliert und modenselektive Elektrodenlayouts für resonante Membrandrucksensoren erarbeitet. Weiterhin konnte durch geeignete Strukturierung der Einspannung der Resonator-Elemente auftretende Modenkopplungen stark unterdrückt werden.
ITW – FH München
Institut für Technologie- und Wissenstransfer an der Fachhochschule München e.V. – Prof. Dr.-Ing. Dieter Haller
FEM simulation in precision engineering and microtechnology
Optimization of resonant micromechanical sensors for mechanical quantities
Abstract
The presentation deals with the numerical and experimental investigation of the static and dynamic behavior of resonant microsensors. The focus is on the simulation of frequency-analog pressure and force sensors based on resonant, micromechanical silicon bimorph structures, as well as the characterization of the measurand-dependent frequency change.
FE models were developed to describe the load-dependent dynamic behavior of frequency-analog sensors, and dimensioning proposals were developed taking into account geometric nonlinearities, in particular stress-stiffening effects.
Coupled field calculations (multiphysics) were used to model the piezoelectric bimorph transducers and describe the dynamic behavior taking into account the electro-mechanical excitation, and design rules were derived for application-specific optimization. Thus, for different piezoelectrics (AlN, ZnO, PZT) the geometry influence on the effective electro-mechanical coupling factor was simulated and mode-selective electrode layouts for resonant membrane pressure sensors were developed. Furthermore, by suitable structuring of the clamping of the resonator elements, occurring mode couplings could be strongly suppressed.
ITW – FH Munich
Institute for Technology and Knowledge Transfer at the Munich University of Applied Sciences e.V. – Prof. Dr.-Ing. Dieter Haller
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