Simulation von komplexen mikroelektromechanischen Systemen

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind kleinste mechatronische Systeme, deren funktionales Verhalten von einer engen Kopplung mechanischer, elektrischer, oft auch chemischer oder fluidischer Effekte charakterisiert wird. Solche unterschiedlich komplexen Systeme können nur von sehr verallgemeinerten Simulationswerkzeugen erfaßt werden, die in der Lage sind, mehrere räumlich verteilte und dabei gekoppelte physikalische . Effekte darzustellen. Der Forschungsbedarf im Bereich der Simulation mikroelektromechanischer Systeme resultiert aus dem vorliegenden Entwicklungsgrad der herkömmlichen Simulationssysteme, die eine effiziente Berechnung und Modellieren des Systemverhaltens in stark gekoppelten Systemen nach wie vor nicht zulassen. Eine leistungsfähige Simulation, möglich auf verschiedenen Stufen der Abstraktion ist aber Schlüssel für eine erfolgreiche und markttaugliche MEMS-Entwicklung. Das gegenständliche Vorhaben befaßt sich einerseits mit der Methodik und andererseits mit der Software zum Modellieren der im mikroelektromechanischen System gekoppelten physikalischen Effekte. Die Methode der Finiten Elemente, zusammen mit einer analogen Hardware-Beschreibungs-Sprache (A-HDL) wird angewendet, um eine einheitliche Simulation von elektrischen Netzwerken, physikalischen Modellen und komplexen räumlich verteilten Effekten zu ermöglichen. Alle diese Teilmodelle bauen ein Systemmodell, beschreibbar mit Hilfe einer objekt-orientierten Sprache und gekoppelt auf verschiedenen Abstraktionsebenen. Die Ziele des Vorhabens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erforschung von Alternativen zur Kopplung von Finite-Elemente Gleichungen, angewendet in komplexen Bauteilmodellen, mit dem A-HDL Simulatorkonzept. Definition von Schnittstellen zwischen Finite-Elemente Bibliotheken und dem A-HDL Simulator Anwendung vordefinierter Finite-Elemente Bibliotheken zur Behandlung verschiedener physikalischer Effekte und Bearbeitung im Rahmen eines A-HDL Simulators. Erforschung und Entwicklung von passenden numerischen Methoden zur effizienten Lösung von Finite- Elemente Gleichungssystemen in Rahmen eines A-HDL Simulators. Realisierung und Prüfung der Simulationssoftware. Modellieren von komplexen Systemen. Erprobung anhand von Anwendungen in Forschung, Ausbildung sowie der industriellen Praxis.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind miniaturisierte mechatronische Systeme deren Wirkungsweise meist auf einem Zusammenwirken von mechanischen, elektrischen und/oder fluidmechanischen Phänomenen beruht. Daher sollten solche Systeme auch mit Simulationspaketen berechnet werden, die eine Interaktion dieser verschiedenen physikalischen Prozesse berücksichtigen können. Die Durchführbarkeit solcher Analysen ist demnach stark abhängig von den Möglichkeiten der Simulationssoftware, eine derart gekoppelte numerische Simulation mit wirtschaftlichem Aufwand durchzuführen. Die Simulation komplexer MEMS setzt daher vielfältige Modellierungs- und Berechnungstools voraus, die auf unterschiedlichen Abstrahierungsebenen miteinander verbunden werden müssen. Allgemeine Mikrosysteme sollten daher in einer Simulationsumgebung erstellt werden, wo unterschiedliche physikalische Prozesse leicht modelliert werden können, ohne dass hierzu allzu viele Überlegungen hinsichtlich Diskretisierung, Konvergenz, Rand- bzw. Übergangsbedingungen etc. erforderlich sind. Ein vielversprechender Ansatz in dieser Richtung ist die Verwendung von Finite Element Methoden zusammen mit analogen Hardwarebeschreibungsspachen (A-HDL). Auf diese Weise lassen sich Interaktionen zwischen elektrischen Schaltkreisen und kontinuierlichen Körpern bzw. Feldern innerhalb einer Simulationsumgebung definieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Analyse sowohl für das komplexe Einzelbauteil als auch für das Gesamtsystem durchzuführen ist. Dies bedeutet eine Parametrisierung komplexer Einzelbauteile durch einige wenige Parameter und ein Einbau dieses abstrahierten Bauteils in ein Systemmodell. Die Ergebnisse des Projektes MEMSSIM2 lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Definition gekoppelter FE-Systeme zur Beschreibung von komplexen Einzelbauteilen. - Implementation von finiten Elementen zur Beschreibung unterschiedlicher physikalischer Prozesse innerhalb eines HDL-Simulators. - Untersuchung verschiedener Gleichungslöser im Zusammenhang mit gekoppelten Anwendungen in einer einheitlichen Simulationsumgebung. - Vergleich neuerer Modellierungswerkzeuge im Vergleich zu kommerziellen FE Programmen.