FEM-Programmpaket

ANSYS

Meeting mit Priv.-Doz. Dr.rer.nat. Büttgenbach

FFMU – Forschungsgesellschaft für Feingeräte-, Uhren- und Mikrotechnik e.V.

Villingen-Schwenningen

 

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

  • Allgemeines
  • Berechnungsmöglichkeiten
  • Allgemein gekoppelte Feldberechnungen
  • Modellierung von Piezoelektrizität
  • Elemente-Bibliothek von ANSYS
  • Prinzipieller ANSYS-Rechenlauf

 

Beispielrechnungen

  • Modalanalyse einer Doppelstimmgabel (DETF)
  • Modalanalyse eines Kraftsensors
  • Berechnung der Kennlinie eines Kraftsensors

 

FEM-Anwendungen in der Mikrotechnik

Analyse verschiedener mikromechanischer Grundstrukturen:

  • Membranen, Zungen, Stege (Silizium)
  • Stimmgabeln, Doppelstimmgabeln (Quarz)

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)
  •  max. elektromechanische Kopplung
  • Frequenzhub in Abhängigkeit der Meßgröße maximieren

Simulation verschiedener Einflußgrößen auf das Verhalten der Mikrostrukturen:

  • Temperatur, Schock, Vibration, EMV

Piezoelektrische Anregung & Abtastung:

  • Quarz (Metallelektroden)
  • Silizium mit ZnO-Schicht

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-Rechenlauf

ANSYS Programm


www.ansys.com

 

GitHub repository

 

Acknowledgements

Die ersten FEM-Berechnungen wurden mit ANSYS-PC/ED (Rev. 4.2 A4) im Institut durchgeführt. Unser Dank gilt Herr 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.