11. CADFEM Users’ Meeting
27.-29. Oktober 1993
Bamberg
Gekoppelte Feldberechnung eines
mikromechanischen Strömungssensors
Thomas Fabula, Nicolaus Hey, Stephan Messner
Institut für Mikro- und Informationstechnik
der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
D-78052 Villingen-Schwenningen
Wilhelm-Schickard-Straße 10
Abstract
Im Rahmen eines vom BMFT geförderten Verbundprojektes wurden resonante mikromechanische Silizium-Balkenstrukturen mit elektrothermischer Anregung und resistiver Abtastung durch NiCr-Dehnmeßstreifen für die Anwendung als Kraft- und Strömungssensoren hergestellt [Bar93]. Mit Finite-Elemente-Berechnungsmethoden sollten die Sensoreigenschaften, insbesondere die thermische Fluid-Struktur-Wechselwirkung und das dynamische Verhalten untersucht, sowie die Sensitivität gegenüber Strömungen optimiert werden [Mes93].
Mit ANSYS erfolgte die Modellaufbereitung, die statischen und dynamischen Strukturberechnungen, in denen die Eigenfrequenzen und -schwingungsformen (Moden) bei unterschiedlichen Temperatur-Belastungen ermittelt wurden. Die Berechnung der Abkühlung des Sensors durch das vorbei-strömende Fluid wurde mit FIDAP durchgeführt. Vergleichsrechnungen mit FLOTRAN wurden freundlicherweise von Herrn Dr. Uli Göhner, (CADFEM GmbH, Leonberg) zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse der Strömungsberechnungen von FIDAP und FLOTRAN werden verglichen und diskutiert.
Durch optische Messungen konnten die thermischen bedingten statischen Auslenkungen, das temperaturabhängige Frequenzverhalten und die Strömungsempfindlichkeit ermittelt und zur Modellbildung herangezogen werden. Hierbei konnten die FE-Modellannahmen und die Einflüsse der Randbedingungen bei den Berechnungen durch Vergleich mit den experimentellen Daten ermittelt werden.
Literatur
- [ABV93] : Abschlußbericht zum BMFT-Verbundvorhaben: Einsatz der Mikromechanik zur Herstellung frequenzanaloger Sensoren, VDI/VDE-IT, Berlin (1993)
- [Bar93] : H. Bartuch, S. Büttgenbach, Th. Fabula, H. Weiss, Resonante Silizium-Sensoren mit elektrothermischer Anregung und DMS in Metalldünnfilm-Technologie, SENSOR 93, Nürnberg, 12.-14. Oktober 1993
- [Mes93] : S. Messner, Finite-Elemente Berechnung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung bei einem mikromechanischen Strömungssensor, Diplomarbeit, Universität Stuttgart / HSG-IMIT, VS-Villingen (1993)
- [Wie93] : M.-C. Wiedemann, Entwicklung eines intelligenten Sensorsystems unter Nutzung eines elektrothermisch angeregten mikromechanischen Resonators, Diplomarbeit, FH-Kiel (1993)
BMFT Verbundprojekt
Multiphysics simulation of a flow sensor
Within the framework of a BMFT-funded joint project, resonant micromechanical silicon bar structures with electrothermal excitation and resistive scanning by NiCr strain gauges were produced for use as force and flow sensors [Bar93]. The sensor properties, in particular the thermal fluid-structure interaction and the dynamic behaviour, were to be investigated using finite element calculation methods and the sensitivity to flows was to be optimised [Mes93].
ANSYS was used for model preparation, static and dynamic structure calculations, in which the natural frequencies and vibration modes were determined at different temperature loads. FIDAP was used to calculate the cooling of the sensor by the passing fluid.
Comparative calculations with FLOTRAN were kindly provided by Dr.rer.nat. Uli Göhner, (CADFEM GmbH, Leonberg). The results of the flow calculations of FIDAP and FLOTRAN are compared and discussed.
By optical measurements the thermal induced static deflections, the temperature dependent frequency behaviour and the flow sensitivity could be determined and used for modelling. Here, the FE model assumptions and the influences of the boundary conditions during the calculations could be determined by comparison with the experimental data.
GitHub repository
Link: github.com/ThomasFabula/Flow
Testimonial
“One of Dr. Fabula’s tasks was to optimize the design of pressure transducers with metal film strain gauges by means of FE calculations. The results obtained were successful in industrial practice and helped to stabilize and further develop this production line at GMS.
Dr. Fabula also demonstrated his technical expertise, combined with prudent work organization and a high level of commitment in other projects. His work on modelling and application-specific optimization of micromechanical force and flow sensors using the FE method had a decisive influence on the design and layout of prototypes of a micromechanical force sensor with electrothermal excitation which were then manufactured at GMS.
On the initiative of Dr. Fabula, GMS decided to continue the work on a marketable product in a joint project. The results are reflected in the customer-specific development currently underway at our company.
Dr. Fabula always proved to be very open to the specific development tasks of our company. We would like to thank him for his services to date and look forward to continuing our good cooperation.” ~ Dipl.-Ing. Hans Weiss | Owner & Managing Director, GMS Gesellschaft für Mikroelektronik und Sensorik mbH, VS-Villingen
Dipl.-Ing. Hans Weiss | GMS Gesellschaft für Mikroelektronik und Sensorik mbH, VS-Villingen