Fachausschuß Mikrosystemtechnik in der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik und Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V.:
Vortragsveranstaltung Mikrosystemtechnik
16. Januar 1991
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Stuttgart-Büsnau
“Modellierung mikromechanischer Sensoren mit der Methode der Finiten Elemente”
Th. Fabula, B. Schmidt
Hahn-Schickard-Institut für Mikro- und Informationstechnik
Villingen-Schwenningen
Abstract
Im Hahn-Schickard-Institut wird das kommerzielle FEM-Programmsystem ANSYS für den Entwurf und die Auslegung von mikromechanischen Sensoren eingesetzt. Im Vordergrund stehen statische und dynamische Berechnungen an unterschiedlichen Sensorstrukturen, die z.T. anisotropes Materialverhalten (Silizium, Quarz) und den Einfluß verschiedener physikalischer Größen (z.B. Temperatur) berücksichtigen. Als Beispiele werden die Berechnungen von Silizium-Drucksensoren und von resonanten Quarz-Kraftsensoren (Bild 1) aufgeführt.
Bei den statischen Berechnungen wird am Beispiel eines Drucksensors der Einfluß der Strukturgeometrie auf die Auslenkung und den Spannungszustand der Silizium-Membran aufgezeigt. Die Ergebnisse geben z.B. Aufschluß über eine günstige Anordnung der piezoresistiven Bauelemente, die Empfindlichkeit und den linearen Bereich des Drucksensors.
Bei den dynamischen Berechnungen sind die Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen (Modalanalyse), die Kraft-Frequenz-Kennlinie (Kraftempfindlichkeit) und das Frequenzgangverhalten (Amplitudenspektrum) bei resonanter Anregung des Kraftsensors von Interesse. Die Anregung der resonanten Sensoren erfolgt z.B. thermisch oder piezoelektrisch, so daß die Kopplung verschiedener Felder (Wärmefeld-Struktur, Piezoelektrizität, etc.) mit berücksichtigt werden muß (Bild 2). Der Einfluß der Temperatur auf die Resonanzeigenschaften der Sensorstruktur können ebenfalls mit berücksichtigt werden.
Testimonial
VDE/VDI
“Die Fachgesellschaft mit ihren 9.500 Mitgliedern gliedert sich derzeit in 7 Fachbereiche und etwa 45 Fachausschüsse. Sie unterstützen die Organisation von Fachtagungen und Workshops und leisten fachliche Arbeit in den Fachausschüssen. Darüber hinaus sorgen sie für Kontakte zu anderen Fachgesellschaften innerhalb und außerhalb des VDE und VDI. In den Bezirksvereinen von VDE und VDI werden die fachlichen Aktivitäten der GMM auch durch regionale Arbeitskreise getragen.”
Modelling of micromechanical sensors with the finite element method
At the Hahn-Schickard-Institute the commercial FEM program system ANSYS is used for the design and layout of micromechanical sensors. The focus is on static and dynamic calculations on different sensor structures, which take into account partly anisotropic material behaviour (silicon, quartz) and the influence of different physical parameters (e.g. temperature). As examples the calculations of silicon pressure sensors and resonant quartz force sensors (Fig. 1) are given.
In the static calculations, the influence of the structure geometry on the deflection and the stress state of the silicon membrane is shown using the example of a pressure sensor. The results provide information, for example, about a favourable arrangement of the piezoresistive components, the sensitivity and the linear range of the pressure sensor.
For dynamic calculations, the natural frequencies and natural vibration modes (modal analysis), the force-frequency characteristic (force sensitivity) and the frequency response (amplitude spectrum) with resonant excitation of the force sensor are of interest. The excitation of the resonant sensors is e.g. thermal or piezoelectric, so that the coupling of different fields (thermal field structure, piezoelectricity, etc.) must be taken into account (Fig. 2). The influence of temperature on the resonance properties of the sensor structure can also be taken into account.