Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

6 Zusammenfassung und Ausblick
Um den Entwicklungsprozeß eines Mikrobauelements oder -systems erfolgreich unterstützen
zu können, müssen auf allen Modellierungsstufen (s. Abb. 2.1) adäquate Verfahren
zur Verfügung stehen. Die einzelnen Stufen können hierbei allerdings nicht als
unabhängig voneinander betrachtet werden: Erst mittels umfassender Detailanalysen auf
kontinuierlicher Feldebene kann das zur Ableitung von Systemmodellen erforderliche
Verständnis der Teilkomponenten gewonnen und für das Betriebsverhalten wichtige Parameter
identifiziert und extrahiert werden; unterstützt wird dieser Prozeß durch dedizierte
Messungen an Teststrukturen. Umgekehrt können physikalisch basierte und exakte Systemmodelle
wiederum helfen, Parameter zu extrahieren, Meßvorschriften und -konzepte
abzuleiten und Funktionsprinzipien zu verifizieren, die durch Messungen oder Simulationen
auf Bauelementeebene nicht oder nur schwer zugänglich sind, wie beispielsweise
das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten einer Mikromembranpumpe unter
Betriebsbedingungen (vgl. Abb. 5.12).
Ziel dieser Arbeit war es, Ansätze und Methoden zu entwickeln, um gekoppelte Effekte
in mikromechanischen Bauelementen und Systemen auf kontinuierlicher Feldebene
und Systemebene effizient und exakt zu modellieren. Im Mittelpunkt standen dabei die
elektromechanische Kopplung und die Fluid-Struktur-Wechselwirkung, beides bidirektional
gekoppelte Probleme, die im Betriebsverhalten von Mikrosystemen aufgrund der
geringen Dimensionen eine große Rolle spielen. Diese Kopplungen weisen schwierig zu
behandelnde Aspekte auf, wie z.B. die elektromechanische Instabilität und den Hysterese-
Effekt im Falle der elektromechanischen Kopplung, oder die Komplexität der zu lösenden
Gleichungen und die straffe Kopplung im Falle der Fluid-Struktur-Kopplung. Da in der
Regel gekoppelte Effekte nur für einzelne Bauelemente oder Teile von Mikrosystemen auf
kontinuierlicher Feldebene behandelt werden können, muß die Komplexität der Probleme
reduziert, d.h. es müssen Kompaktmodelle zur Systemsimulation abgeleitet werden.
Das Vorgehen auf beiden Hierarchieebenen wurde anhand der folgenden drei Demonstratoren
exemplifiziert: einem BiCMOS-integrierten mikromechanischen Drucksensor,
einer elektrostatisch betriebenen Mikromembranpumpe und beweglichen, gelochten Platten
und Membranen als Teststrukturen für die Modellierung viskoser Dämpfungseffekte.
Das Betriebsverhalten dieser Demonstratoren wird durch die oben genannten Effekte auf
unterschiedliche Weise beeinflußt, weshalb sie sich gut zur Validierung der verschiedenen
Ansätze und Methoden eignen.
Um möglichst schnell und effizient Lösungen für die jeweils gegebene Problematik zu
erhalten, wurde in dieser Arbeit auf die Verwendung etablierter Programme und Simulationsumgebungen
gesetzt, wodurch man auf einen bereits gewonnenen Erfahrungsschatz
aufbauen, auf bestehende Simulationsumgebungen zurückgreifen und typische, in der