Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

2.3 SIMULATIONSWERKZEUGE 17
physikal. Domäne Potentialgröße �
Flußgröße Erhaltungsgröße
elektrisch ¡ ¢ ���
mechanisch
fluidisch
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Tabelle 2.1: Zueinander konjugierte Variablenpaare in einem verallgemeinerten Kirchhoffschen
Netzwerk für verschiedene Energiedomänen (mit elektr. Spannung,
elektr. Strom, elektr. Ladung, ¡ ��¡ � ¡
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Geschwindigkeit, mech. Kraft,
mech. Impuls, � ¡
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hydrostatischer Druck, Volumenstrom ©��
und Masse).
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auch auf die praktische Umsetzung dieser Prinzipien in der Systemsimulation sowie auf
Methoden zur Ableitung von Kompakt- und Systemmodellen näher eingegangen.
Für alle Fälle ist es wichtig, daß beim Kondensieren der Freiheitsgrade die Konsistenz und
Transparenz des Modells erhalten bleibt. Nur wenn alle Teilsysteme diesen Prinzipien des
generischen Modells genügen, ist sichergestellt, daß alle Effekte physikalisch basiert und
konsistent im Systemmodell berücksichtigt sind.
2.3 Simulationswerkzeuge
2.3.1 Überblick über bestehende Simulations- und
TCAD-Umgebungen
In diesem Abschnitt soll ein Überblick über Programme und Simulationsumgebungen
gegeben werden, die beim Entwurf von Mikrosystemen zur Zeit zum Einsatz kommen.
Dabei besteht nicht der Anspruch, eine vollständige Liste zu erstellen, sondern lediglich
beispielhaft auf einige wichtige, in diesem Sektor häufig eingesetzte Programme und deren
Funktionalität einzugehen.
Im Gegensatz zur Halbleiterelektronik haben sich in der Mikrosystemtechnik noch keine
Simulationsumgebungen etabliert, in denen ein System beginnend mit dem Herstellungsprozeß
über die Bauelementefunktion bis hin zum gesamten System durchgehend
modelliert werden kann, und die auf die speziellen Belange von MEMS zugeschnitten
sind. Vielfach werden daher Programme wie beispielsweise Finite-Element-Programme
verwendet, die auf anderen Gebieten, wie z.B. dem klassischen Maschinenbau, bereits
etabliert sind, aber auch im Bereich der Mikrosystemtechnik eingesetzt werden können.
Sie haben den Nachteil, daß sie nicht auf die spezifischen Bedürfnisse in der Modellierung
von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), wie beispielsweise die Vernetzung
von Bauelementen mit großen Aspektverhältnissen, zugeschnitten sind. Häufig eingesetzte
Simulatoren sind hier ABAQUS [1], ANSYS [7] oder ADINA [2] für elektromechanische
Strukturanalysen, Temperaturfeldberechnungen oder elektromagnetische Analysen,
für fluidische Probleme werden häufig FIDAP [34], FLOTRAN [36], FLUENT [35] oder
CFD-ACE [25] verwendet. Für die Simulation von Systemen wird auf die klassischen