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August 2015
Martin Niessner
Modellierung und Simulation des elektro-fluid-mechanisch gekoppelten Verhaltens von Mikrobauteilen auf der Systemebene
Der Entwurfsprozess für Mikrosensoren und -aktoren ist bisher nicht durchgängig in einer Simulationsumgebung abgebildet, da sich der Übergang von der Ebene der feldtheoretischen Kontinuumsbeschreibung zur Ebene der systembezogenen Makromodellierung mithilfe von konzentrierten oder verteilten Kompaktmodellen nicht allgemeingültig automatisieren lässt. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein automatisierbares Verfahren konzipiert, welches aus einer kontinuumstheoretischen Beschreibung physikalisch basierte Systemmodelle extrahiert, die es erlauben, das elektro-fluid-mechanisch gekoppelte Verhalten von mikrostrukturierten Bauteilen auf der Systemebene zu analysieren.
Die verallgemeinerte Kirchhoffsche Netzwerktheorie stellt den theoretischen Rahmen des Verfahrens dar und ermöglicht eine konsistente und energieformübergreifende Synthese verschiedener Modellierungsansätze.
Zur Validierung des Verfahrens werden für zwei Mikroresonatoren und einen mikromechanischen Hochfrequenzschalter elektro-fluid-mechanisch gekoppelte Systemmodelle extrahiert und experimentellen Daten gegenübergestellt. Die Modelle berechnen die auf die Strukturen wirkende Schmierfilmdämpfung mit einem relativen Fehler kleiner als 4 %. Die statischen Schnapp- und Löse-Spannungen sowie die Schließ- und Öffnungszeiten des mikromechanischen Schalters werden mit einem relativen Fehler von 5 % und weniger wiedergegeben. Das Verhalten nach einem dynamischenmechanischen Anschlag kann im Vergleich zum Experiment qualitativ richtig reproduziert werden.
Die verallgemeinerte Kirchhoffsche Netzwerktheorie stellt den theoretischen Rahmen des Verfahrens dar und ermöglicht eine konsistente und energieformübergreifende Synthese verschiedener Modellierungsansätze.
Zur Validierung des Verfahrens werden für zwei Mikroresonatoren und einen mikromechanischen Hochfrequenzschalter elektro-fluid-mechanisch gekoppelte Systemmodelle extrahiert und experimentellen Daten gegenübergestellt. Die Modelle berechnen die auf die Strukturen wirkende Schmierfilmdämpfung mit einem relativen Fehler kleiner als 4 %. Die statischen Schnapp- und Löse-Spannungen sowie die Schließ- und Öffnungszeiten des mikromechanischen Schalters werden mit einem relativen Fehler von 5 % und weniger wiedergegeben. Das Verhalten nach einem dynamischenmechanischen Anschlag kann im Vergleich zum Experiment qualitativ richtig reproduziert werden.
Schlagwörter: MEMS; Mikrobauteile; RF-MEMS; Multiphysics; Elektromechanik; FSI; Mikromechatronik
Selected Topics of Electronics and Micromechatronics Ausgewählte Probleme der Elektronik und Mikromechatronik
Herausgegeben von Prof. Dr. Gerhard Wachutka †, Prof. Dr. Doris Schmitt-Landsiedel † und Prof. Dr. rer. nat. Gabriele Schrag, München
Band 48
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