Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

56 4 MODELLIERUNG AUF KONTINUIERLICHER FELDEBENE
dendem Luftspalt verändern sich aber wiederum die Potentialverhältnisse an der Siliziumoberfläche
und somit die MIS-Kapazität. Für die korrekte Modellierung der Kopplung
zwischen mechanischer und elektrischer Domäne müssen auch die so hervorgerufenen
Ladungsverschiebungen in den verschiedenen Bereichen im Substrat berücksichtigt werden.
Letztere können anhand einer Referenzstruktur besonders gut untersucht werden,
bei der die Polysiliziummembran fest fixiert ist und sich nicht durchbiegen kann, weshalb
die Ladungsverschiebungen alleine durch die Spannungsänderung hervorgerufen werden.
Nach Differenzbildung zwischen Sensor und Referenz tragen diese Effekte weiterhin zur
Kennlinie bei, und es muß untersucht werden, ob und wie die Meßmethode zu gestalten
ist, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Dazu müssen folgende Punkte geklärt
werden:
Wie setzt sich das gemessene Signal zusammen, und wie groß ist der Einfluß der
parasitären Kapazitäten auf das Meßsignal? Dabei muß auch untersucht werden, ob
und inwiefern sich die elektrischen Teilstrukturen gegenseitig beeinflussen.
Wie müssen die parasitären elektrischen Effekte in die gekoppelte Simulation einbezogen
werden, um eine detaillierte qualitative und quantitative Analyse des Meßsignals
durchführen und eine zuverlässige Meßmethode zur elektrischen Charakterisierung
des Sensors ableiten zu können?
Um diese offenen Punkte umfassend zu klären, werden in Kap. 4.4 die Finite-Element-
Rechnungen mit Halbleiterbauelementesimulationen gekoppelt und durch simulierte
Kleinsignalanalysen ergänzt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden dann die Basis
für die Erstellung eines Makromodells des Systems in Kap. 5.2.1.
4.2.4 Beispiel: Elektrostatischer Membranantrieb der
Mikromembranpumpe
Auch zur Modellierung des elektrostatischen Membranantriebs der betrachteten Mikromembranpumpe
(siehe Abb. 3.10, Kap. 3.2) muß ein elektromechanisch gekoppeltes Problem
gelöst werden. Einen schematischen Querschnitt durch die simulierte Struktur zeigt
Abb. 4.12. Die Pumpmembran aus Silizium bildet die mechanische Domäne, die elektrische
Domäne besteht aus der Anordnung von Pumpmembran und Gegenelektrode, die
über einen 40 m hohen Luftspalt voneinander getrennt sind. Um einen Kurzschluß zwischen
beiden Elektroden bei Anschlagen der Pumpmembran an die Gegenelektrode zu
Abbildung 4.12: Schematischer
Querschnitt durch
den elektrostatischen Membranantrieb.
Die einzelnen
physikalischen Simulationsdomänen
sind eingezeichnet.
Gegenelektrode
Luftspalt
Fluid (Fluidelemente)
Kontaktelemente
U
elektr. Domäne
Membran
(mech. Domäne)