FEM-Programmpaket
ANSYS
Meeting mit Priv.-Doz. Dr.rer.nat. Büttgenbach
FFMU – Forschungsgesellschaft für Feingeräte-, Uhren- und Mikrotechnik e.V.
Villingen-Schwenningen
Summary
The ANSYS FEM program is ideally suited for use in FEM applications in microtechnology. We will discuss the performance criteria for FEM programs and the special requirements of micromechanics. An overview of FEM programs will also be provided. The ANSYS program package offers various calculation options, in particular coupled field calculations for modeling piezoelectricity. We will introduce the ANSYS element library and a basic ANSYS calculation sequence for quartz tuning forks. The sample calculations include a modal analysis of a double ended tuning fork (DETF), modal analyses of a micromechanical force sensor, and the basic calculation of the characteristic curve of a force sensor.
Allgemeines zu FEM-Programmen
- FEM-Anwendungen in der Mikrotechnik
- Leistungskriterien für FEM-Programme
- Spezielle Anforderungen der Mikromechanik
- Überblick FEM-Programme
Das Programmpaket A N S Y S
- Allgemeine Berechnungsmöglichkeiten
- Allgemein gekoppelte Feldberechnungen
- Modellierung von Piezoelektrizität
- Elemente-Bibliothek von ANSYS
- Prinzipieller ANSYS-Rechnungslauf
Beispielrechnungen
- Modalanalyse einer Doppelstimmgabel (DETF)
- Modalanalyse eines Kraftsensors
- Berechnung der Kennlinie eines Kraftsensors
FEM-Anwendungen in der Mikrotechnik
Analyse verschiedener mikromechanischer Grundstrukturen:
Bauteil-Simulation
Berechnung statischer Größen von Mikrostrukturen:
- innere Spannungszustände
- Verhalten bei Druck- & Kraft-Beaufschlagung
- Auslenkungen, Verformungen, etc.
Berechnung verschiedener, dynamischer Kenngrößen von Mikrostrukturen:
- Eigenfrequenzen und Schwingungsmoden (Modalanalyse)
- Frequenzgangverhalten bestimmter Größen
- transientes Verhalten
Optimierung der Mikrostruktur-Konstruktionen:
- Strukturoptimierung der Resonator-Geometrie:
- geringere Dämpfung, Schwingungsentkopplung
- Elektrodenformen (Schwingungsanregung & -abtastung)
- Maximale elektromechanische Kopplung (keff)
- Frequenzhub in Abhängigkeit der Meßgröße maximieren
Simulation verschiedener Einflußgrößen auf das Verhalten der Mikrostrukturen:
- Temperatur, Schock, Vibration, EMV
Piezoelektrische Anregung & Abtastung:
Prozess-Simulation
Wärmeinduzierter Stress:
- verschiedene Temperaturen bei Prozeß-Schritten
- unterschiedliche Wärmeausdehnungen der verwendeten Materialien
Technologische Prozesse (thermische Analysen)
- Ofenprozesse, u.a. thermischen Oxidation
- Sputtern: Physical Vapor Deposition (PVD)
- Laser-unterstützte Strukturierung
- Bonding: Verbindungstechnik, Mikroschweißtechnik
Packaging der Sensoren & Aktuatoren:
- Berücksichtigung von Gehäuse induziertem Stress,
- Aufbau und Verbindungstechnik (AVT)
Einleitung der Meßgröße:
- Berücksichtigung des kompletten Sensorsystems
- Krafteinleitungsmechanik
ANSYS-Rechnungslauf
ANSYS Programm
GitHub repositories
- github.com/ThomasFabula/Quartz-DETF
- github.com/ThomasFabula/piezoelectric_simulation
- github.com/ThomasFabula/Modeling-of-Resonant-Silicon-Microsensors
Acknowledgements
Die ersten FEM-Berechnungen wurden mit ANSYS-PC/ED (Rev. 4.2 A4) im Institut durchgeführt. Unser Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Clemens Groth von der Firma CADFEM GmbH, der uns umfangreiche FEM-Testrechnungen zum Nachweis der Leistungsfähigkeit des Programmsystems ANSYS mit Hilfe kommerzieller Software-Versionen ermöglicht hat.
Thanks CADFEM for valuable support
“The first FEM calculations were performed with ANSYS–PC/ED (Rev. 4.2 A4) at the Institute. We would like to thank Dipl.–Ing. Clemens Groth from CADFEM GmbH, who provided us with extensive FEM test calculations to verify the performance of the ANSYS program system using commercial software versions.”