Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

Zusammenfassung
Mikrosysteme werden heutzutage in immer stärkerem Maße benötigt, um im Rahmen
der zunehmenden Miniaturisierung in fast allen Bereichen nicht nur Daten verarbeiten,
sondern auch Signale aus der Umwelt aufnehmen, und dann umgekehrt wieder auf die
Umwelt einwirken zu können. Eine besondere Rolle kommt hier der Mikromechanik zu,
die die Realisierung intelligenter Sensor- und Aktorsysteme ermöglicht.
Wie in der Mikroelektronik ist man auch in der Mikrosystemtechnik bestrebt, zuverlässige
Simulationswerkzeuge zu entwickeln, die es ermöglichen, den Entwurf von Bauelementen
und Systemen auf allen Ebenen durch umfassende Modellierung zu unterstützen, um
schon in einem frühen Entwicklungsstadium Funktions- und Designkonzepte verifizieren
und selektieren zu können. Für ein solches Vorgehen benötigt man Entwurfsumgebungen,
mit denen man, ausgehend von einem Maskensatz für das Bauelement, über Prozeß- und
Bauelementesimulation bis hin zur Beschreibung auf Systemebene ein Mikrosystem auf
allen Ebenen des Entwurfsprozesses durchgängig modellieren kann. Wichtig ist hierbei
einerseits die korrekte Modellierung gekoppelter Effekte auf kontinuierlicher Feldebene
(Bauelementeebene), speziell über die Grenzfläche zwischen verschiedenen physikalischen
Energiedomänen, da diese in Mikrosystemen aufgrund ihrer Wandlereigenschaften
die maßgebliche Rolle im Betriebsverhalten spielen. Auf der anderen Seite benötigt man
unbedingt Modelle mit deutlich reduzierter Zahl an Freiheitsgraden, weil nur diese es
ermöglichen, Mikrosysteme in ihrer Gesamtheit inklusive aller gekoppelter Effekte zu
modellieren. Aber bereits für einzelne Bauelemente wie der in dieser Arbeit vorgestellten
Mikromembranpumpe oder den viskosen Dämpfungseffekten in perforierten Strukturen
ist eine Behandlung auf Bauelementeebene nicht mehr möglich. Für eine effiziente Modellierung
muß auch hier die Komplexität des Problems durch eine drastische Reduktion
der Freiheitsgrade herabgesetzt werden. Das heißt, bei Mikrosystemen kann man aufgrund
der Komplexität der einzelnen Komponenten zwischen Bauelemente- und Systemebene
nicht mehr in dem Maße trennen wie in der Mikroelektronik.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden daher Ansätze und Methoden zur Modellierung
gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf Bauelemente- und Systemebene entwickelt.
Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen dabei die elektromechanische Kopplung
und die Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit einem Schwerpunkt auf viskosen Dämpfungseffekten
bei dynamisch betriebenen Mikrobauelementen. An typischen Demonstratoren
(integrierter mikromechanischer Drucksensor, elektrostatisch angetriebene Mikromembranpumpe,
gelochte Platten und Membranen als Basiselemente für dynamisch betriebene
Bauelemente) werden Wege aufgezeigt, wie die Komplexität der Modelle – angepaßt
an die jeweilige Problemstellung – so reduziert werden kann, daß diese gekoppelten