1992-07_Abstract-ANSYS-UM.txt

FE-Modellierung für den Entwurf resonanter Mikrosensoren

Th.Fabula

Hahn-Schickard-Institut für Mikro- und Informationstechnik, VS-Villingen


Bei der Realisierung von mikromechanischen Systemen sind für die Bauelementfunktion die technologisch zu realisierenden Funktionsprinzipien 
und die prozeßtechnischen Randbedingungen bereits in der Entwurfsphase zu berücksichtigen. Reale mikromechanische Komponenten zeigen aufgrund 
der Miniaturisierung und des hohen Integrationsgrades eine starke Wechselwirkung verschiedener physikalischer Einflußgrößen, die zu einer
Überlagerung von unerwünschten Störeinflüssen führen können. Mit Hilfe der Finite-Elemente Methode werden der Einfluß der physikalischer 
Parameter auf das Systemverhalten und die Auswirkung prozeßabhängiger Materialeigenschaften mikrotechnisch hergestellter Dünnschichtsysteme
modelliert. Die Ergebnisse gekoppelter Finite-Elemente Berechnungen unter Einschluß innerer Schichtspannungen und die Berücksichtigung der
piezoelektrischen Anregung an mikromechanischen Strukturen in Dünnschichtaufbau (sog. Multilayerstrukturen) ermöglichen eine gezielte
Vorhersage des Verhaltens von piezoelektrisch angeregten Dünnschichtsystemen.

Der Vortrag geht auf die Untersuchungen von resonanten mikromechanischen Sensoren ein, die durch ihr frequenzanaloges Ausgangssignal für die
Präzisionsmessung verschiedener physikalischer Größen (z.B. Kraft, Druck, Temperatur) besonders geeignet sind. In den FE-Berechnungen finden 
die kristallrichtungs- und temperaturabhängigen Materialeigenschaften und der Einfluß der mikrotechnisch spezifischen Randbedingungen (z.B. 
Schichteigenspannungen) Berücksichtigung. 
Mit Hilfe dynamischer Berechnungen (Modalanalyse) werden die Eigenfrequenzen und -schwingungsformen der resonanten Sensoren bestimmt. Der 
Einfluß der zuuntersuchenden Meßgröße (Druck- bzw. Kraftempfindlichkeit) wird durch eine nichtlineare, statische FE-Rechnung ermittelt, bei
welcher die durch die Meßgröße hervorgerufene Steifigkeitsänderung des Gesamtsystems bestimmt wird. Diese wird zur Ermittlung der
Frequenzverschiebung des vorgespannten Sensors herangezogen. 
Um das Frequenzgangverhalten (Amplitudenspektrum, Impedanzverlauf) des resonanten Sensors zu berechnen, muß die Anregung über piezoelektrische 
Dünnschichtsysteme mit modelliert und die Kopplung verschiedener Felder (elektrisches Potential - Knotenverschiebungen) berücksichtigt werden.
Von besonderem Interesse für die Resonatoroptimierung sind hierbei z.B. Aussagen über die Formgebung des Resonators und der günstigsten
Schichtdickenverhältnisse zwecks maximaler elektromechanischer Kopplung. Elektrische und optische Meßverfahren dienen zur Charakterisierung 
der resonanten Mikrosensoren und zur experimentellen Verifizierung der Berechnungsergebnisse. Durch einen Vergleich mit den experimentellen
Meßergebnissen werden die Grenzen der Finite-Elemente Berechnungsmethode und die erreichbaren Modellierungsgenauigkeiten aufgezeigt und 
diskutiert.


Thomas Fabula
Hahn-Schickard-Institut für Mikro- und Informationstechnik, 
Abteilung: Entwurf und Simulation
D-7730 VS-Villingen, Roggenbachstraße 6
Tel.: 07721 - 2002-31, Fax.: - 2002-29
						
eingereicht als Vortragsbeitrag beim 
10. ANSYS Users' Meeting 1992 in Arolsen
07/1992