Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

18 2 MODELLIERUNG VON MIKROSYSTEMEN
Schaltkreissimulatoren wie SPECTRE [23], ELDO [31] oder Spice-Abkömmlinge wie
SMARTSPICE [117] zurückgegriffen.
Seit wenigen Jahren sind jedoch auch erste Simulationsumgebungen auf dem Markt, die
versuchen, teilweise basierend auf den oben genannten Simulatoren, eine speziell auf
MEMS zugeschnittene Modellierungsumgebung bereitzustellen. Die bisher bekanntesten
sind MEMCAD [78], INTELLISENSE [61], MEMSCAP [79], CFD-ACE � MEMS [26],
SOLIDIS [120] und SESES [113]. Seit ihrem ersten Erscheinen sind diese Programme
hinsichtlich ihrer Funktionalität und Leistungsfähigkeit schon wesentlich verbessert worden,
die durchgängige Modellierung des Entwurfsprozesses ist jedoch uneingeschränkt in
keiner der Umgebungen möglich. Die größten Defizite bestehen noch in folgenden Punkten:
Parameterextraktion und -identifikation: Hierzu fehlen oft Verfahren und Strategien
auf allen Simulationsebenen.
Prozeßsimulation: Für die Simulation von für Mikrosysteme relevanten Herstellungstechnologien
(z.B. anisotropes Ätzen) mit Schnittstellen zur Bauelementesimulation
(Finite-Element-/Randelementprogramme) existieren lediglich Ansätze in
[61] und [118].
Modellierung von gekoppelten Effekten auf der kontinuierlichen Feldebene:
Während viele Kopplungen zwischen verschiedenen physikalischen Energieformen,
die über das Volumen erfolgen wie z.B. piezoelektrischer oder thermomechanischer
Effekt, bereits in etablierten FEM-Simulatoren implementiert sind,
ist dies für Kopplungen über die Grenzflächen der einzelnen Domänen meist nicht
der Fall.
Im Bereich der elektromechanischen Kopplung (detaillierter in Kap. 4.2) gab
es in den letzten Jahren große Fortschritte, so daß sie bereits in manchen Simulationsumgebungen,
oft als iterative Kopplung zwischen Finiter-Element- und
Randelementmethode, integriert ist (z.B. [61, 78, 113]). Zum Teil werden hier
auch Ansätze verfolgt, wie beispielsweise die Entwicklung spezieller ” Transducer-
Elemente“ zur Modellierung der elektrostatischen Anziehung [154] in langen,
schmalen Strukturen, die sich Vereinfachungen zunutze machen, die auf typischen
MEMS-Eigenschaften gründen.
Die direkte Behandlung Fluid-Struktur-gekoppelter Probleme ist zur Zeit nur innerhalb
des Programmes CFD-ACE � MEMS [26] der Firma CFDRC möglich, die seit
ca. 2 Jahren begonnen hat, ihr Programmangebot in den MEMS-Bereich hinein zu
erweitern.
Parametrisierbarkeit der Modelle:
Viele Simulatoren lassen nur beschränkt oder überhaupt keine Änderungen der Bauelementegeometrie
im bestehenden Modell zu, so daß für verschiedene Geometrievarianten
jeweils neue Eingabedateien erstellt werden müssen. Wünschenswert ist
hier eine Parametrisierbarkeit der Modelle, die eine möglichst große Flexibilität in
der Simulation des Entwurfsprozesses zuläßt. Das FEM-Programm ANSYS [7],