Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

3.2 ELEKTROSTATISCH ANGETRIEBENE MIKROMEMBRANPUMPE 29
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Sensor#1 Sensor#2 Sensor#3 Sensor#4
Stempelbreite 40 41 42 31
Kragenbreite 8 7,5 7 13
1,905 0,04 2,01 0,04 2,13 0,04 1,375 0,04
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Tabelle 3.2: Eigenfrequenzen sowie Streuung der Meßwerte (Standardabweichung) für
die einzelnen Sensoren bestimmt mittels Resonanzmessungen.
frequenz des Sensors wird dadurch verfälscht. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten,
muß daher ein Kompromiß angestrebt werden, der es erlaubt, möglichst unverfälschte,
aber dennoch meßtechnisch vernünftig auswertbare Meßwerte zu erhalten.
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Ist
§
dies
� nicht möglich, muß variiert und mittels Gleichung 3.1 und 3.2 ¡
auf den Fall
extrapoliert werden.
Die Kalibrierung der Messung erfolgt auch hier mittels der Referenzstruktur, deren Membran
nicht beweglich ist.
Die gemessenen Eigenfrequenzen der einzelnen Sensoren sind in Tabelle 3.2 aufgelistet.
Wie erwartet, weisen die Sensoren mit dem schmaleren Kragen, d.h. der größeren mechanischen
Steifheit, die höheren Eigenfrequenzen auf.
Die Ergebnisse der dynamischen Charakterisierung der Sensoren ergänzen die statische
Charakterisierung und werden zur Parameterextraktion und -identifizierung sowie zur Kalibrierung
der Simulationen herangezogen.
3.2 Elektrostatisch angetriebene Mikromembranpumpe
Die in dieser Arbeit untersuchte Mikromembranpumpe wurde von Zengerle [160, 162]
entwickelt, ihr Aufbau ist schematisch im Querschnitt in Abb. 3.10 dargestellt. Sie
wird elektrostatisch angetrieben und repräsentiert ein komplexes Mikrosystem, dessen
Betriebsverhalten durch zahlreiche Kopplungen zwischen verschiedenen physikalischen
Domänen bestimmt wird. Die Modellierung stellt daher eine Herausforderung sowohl
auf Bauelemente- wie auch auf Systemebene dar, wobei hier aufgrund der Komplexität
und der sich daraus ergebenden schwierigen Handhabbarkeit der Simulation auf physikalischer
Ebene der Systemaspekt besonders hervortritt. Mikropumpen, wie die hier
vorgestellte, finden unter anderem in Mikrodosiersystemen, Umweltanalysesystemen und
medizinischen Dosiersystemen Verwendung [130, 155].
Das Gesamtsystem besteht aus elektrostatischer Antriebseinheit, realisiert durch eine mikromechanische
Membran mit Gegenelektrode, der Pumpkammer, Einlaß- und Auslaßventil,
im vorliegenden Fall ausgeführt als passive Klappenventile, und den Zu- bzw. Ableitungen.
Es ist aus mehreren Siliziumwafern zusammengesetzt, die mittels anisotroper
Ätztechnik strukturiert werden (für Einzelheiten zum Herstellungsprozeß siehe [160]).
Die Außenmaße der Pumpe betragen 7 mm � 7 mm � 2 mm.
Beim Anlegen der Betriebsspannung ( �
¡ 80 V bis 200 V) an die Antriebseinheit bewegt