EKOSAS – Entwurf komplexer Sensor-Aktor-Systeme

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In der Mikrosystemtechnik wird von zahlreichen Firmen die Entwicklung und Produktion neuartiger Sensor-Aktor-Systeme vorbereitet. Dabei sind insbesondere Mirco-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) im Mittelpunkt des EKOSAS-Projektes, in dem sieben Partner zusammenarbeiten, ist eine verbesserte Entwurfsunterstützung für neue Sensor-Aktor-Systeme, die komplizierte physikalische Phänomene ausnutzen. Die Ergebnisse werden an der Vorentwicklung von unterschiedlichen Systemen demonstriert und getestet.

Am Lehrstuhl für Sensorik werden dabei insbesondere die folgenden Aufgabenstellungen bearbeitet:

  • Entwicklung und Implementierung von Simulationsverfahren zur Berechnung gekoppelter Feldprobleme (Elektrostatik, Mechanik, Akustik) basierend auf der Methode der finiten Elemente (FEM) oder der Randelement-Methode (BEM).
  • Entwicklung von Spezial-Schnittstellen zur Ankopplung der Simulationswerkzeuge an kommerzielle CAE-Lösungen.
  • Simulation der im Rahmen des Projektes entwickelten Sensor-Aktor-Systeme (mikroelektromechanischer Kippspiegel, Neigungs- bzw. Beschleunigungssensor, kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT)).

Anforderungen an die Simulationswerkzeuge:

  • Simulation von Mehrfeldproblemen:
    • Elektrostatik
    • Mechanik
    • Akustik
  • Behandlung gekoppelter rückwirkungsbehafteter Feldprobleme
    • bewegter Körper im elektrostatischen Feld
    • Mechanik-Akustik-Kopplung
  • Berücksichtigung linearer und nichtlinearer Mechanik
  • 2D- und 3D-Simulation
  • Statische und transiente (dynamische) Analyse

Anwendungsbeispiel 1 – Mikroelektromechanischer Kippspiegel

Mikroelektromechanische Kippspiegel verwendet man u. a. zur Bildprojektion in Array-Anordnungen mit über 1 Mio. Elementen. Die Spiegel werden an dünnen Torsionsfederbändern aufgehängt und durch elektrostatische Kraftwirkung ausgelenkt. Durch eine transiente ektrostatisch-mechanische 3D-Simulation konnte die Verbiegung des Spiegels gegenüber der ideal ebenen Form ermittelt werden. Im Bild ist farblich die Abweichung in Winkelgraden von der idealen Ebene dargestellt. Das verwendete Modell hat ca. 22.000 Freiheitsgrade. Die Rechenzeit für 1000 Zeitschritte betrug etwa 900 Sekunden auf einer SGI Octane (400 MHz).

 

Anwendungsbeispiel 2 – Neigungssensor

Neigungs- und Beschleunigungssensoren werden insbesondere in der Automobiltechnik stark nachgefragt. Mikroelektromechanische Modelle verwenden oft verschränkte Fingerstrukturen zur Erfassung der Position eines federnd aufgehängten seismischen Körpers. Im Bild ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der am seismischen Körper angebrachte Fingerkamm dargestellt. Zusammen mit dem darin verschränkten, feststehenden Fingern ergibt sich ein kapazitives System zur Bestimmung der Position und damit der Neigung bzw. Beschleunigung.
Zur numerischen Berechnung der Kapazität muß das offene elektrostatische Feld bestimmt werden. Dazu soll die Boundary-Element-Methode verwendet werden, da hierfür das Modell (bzw. der Luftraum) nicht mit einem komplexen Volumensgitter, sondern nur mit einem vergleichsweise einfachen Oberflächengitter modelliert werden muß.

Anwendungsbeispiel 3 – Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT)

Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) sollen zukünftig insbesondere in die Medizintechnik Einzug halten. Es besteht aber noch erheblicher Forschungsbedarf speziell bei komplexen Wandler-Array-Strukturen. Fortgeschrittene Simulationswerkzeuge sollen dabei helfen, noch unverstandene Phänomene aufzuklären:

  • Übersprechen zwischen verschiedenen Wandlerzellen
  • Bandbreitenoptimierung
  • Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang

Für ein vollständiges Modell muß neben der Elektrostatik und der Mechanik auch das akustische Medium (siehe Bild) mitmodelliert werden. Aufgrund des dafür notwendigen großen Rechengebiets steigt – speziell im 3D-Fall – die Zahl der Freiheitsgrade auf unberrschbar hohe Werte an.
Daher wird an der Anbindung intelligenter Verfahren zur Berechnung der Akustik gearbeitet.

Schlagworte:

FEM, Piezo, CMUT