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. Deformierbare mikromechanische Komponenten werden auf der Systemebene mittels einer Superposition von Eigenmoden und einem linearen Kontaktmodell beschrieben. Die Eigenmoden werden hierbei mittels der Methode der finiten Elemente ermittelt. Elektrostatische Systeme werden mithilfe einer Kombination von differentieller Plattenkondensatornäherung und Lagrange-Formalismus modelliert. Die fluidische Dämpfung, namentlich die Schmierfilmdämpfung, wird mit einem Mixed-Level-Modell dargestellt. Die benutzerfreundliche Anwendbarkeit des Verfahrens wird durch ein speziell entwickeltes, modulares Programm gewährleistet, welches die drei Methoden der Modellbildung automatisiert und energieformübergreifende Kopplungen konkret realisiert.
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 dynamischen mechanischen Anschlag kann im Vergleich zum Experiment qualitativ richtig reproduziert werden. Das automatisierte Verfahren generiert hinreichend genaue Modelle für eine prädiktive Simulation und ermöglicht auf diese Weise eine durchgängig rechnergestützte Designoptimierung einer Vielzahl von viskos gedämpften, elektrostatisch gesteuerten mikromechanischen Bauteilen.
«
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 physikali...
»
Login
BibTeX