MEMS-Systeme wie dieser Mikro-Lautsprecher lassen sich mit den Multiphysik-Simulationstools von Comsol analysieren.

MEMS-Systeme wie dieser Mikro-Lautsprecher lassen sich mit den Multiphysik-Simulationstools von Comsol analysieren. Comsol

Die Themen des Comsol Day: MEMS umfassen die Modellierung von MEMS-basierten Sensoren und Aktuatoren sowie von optischen, mikroakustischen und piezoelektrischen Geräten. Das Angebot richtet sich sowohl an erfahrene Nutzer der Multiphysics-Tools von Comsol als auch an Neueinsteiger. Die Sessions konzentrieren sich auf Modellierungstechniken in den jeweiligen Anwendungsbereichen. Teilnehmer erfahren von Applikationsingenieuren mehr über Softwarefunktionen und Best Practices. Sprecher aus anderen Branchen, die MEMS einsetzen, beleuchten in ihren Vorträgegn die Bedeutung der Simulation für ihre Anwendungen.

Webinar: Optimierung der Wärmeleistung resistiver Bauteile mit digitalem Modell

In diesem Webinar wird diskutiert, wie die Comsol Multiphysics Software zur Simulation der Jouleschen Erwärmung und des daraus resultierenden Wärmetransports in einem resistiven Bauteil verwendet werden kann. In einer Live-Demo wird das Aufbau eines solchen Modells gezeigt. Die Präsentation schließt mit der Erweiterung des fertigen Modells zu einer eigenständigen Application, die sich innerhalb eines Unternehmens bereitstellen lässt.

Was bei MEMS-Simulationen zu beachten ist

Bei MEMS-Simulationen sind besondere Aspekte zu betrachten: In der Mikro-Welt herrschen veränderete Kräfteverhältnisse als in der vertrauten Makro-Welt. Oberflächenkräfte sind zum Beispiel wesentlich stärker als Volumenkräfte. Zusätzlich hat es der Entwickler bei MEMS immer mit einer Multiphysik-Umgebung zu tun, zum Beispiel mit elektromechanischen und thermomechanischen Wechselwirkungen oder dem Piezo-Effekt. Aus diesem Grund eignen sich die Multiphysics-Tools sehr gut für die Simulation von MEMS-Systemen wie Gyroskopen, Aktuatoren, Sensoren, Mikrofonen/Lautsprechern, Hörgeräten und vieles mehr.

In der Bildergalerie zeigen wir anhand von drei Beispielen, was mit Multiphysik-Simulation in MEMS-Systemen möglich ist: bei einem Mikro-Lautsprecher, einem Gyroskop und einem Durchflussmesser.

Bildergalerie:„MEMS mit Multiphysic-Tools simulieren und verstehen”
Bei der Konstruktion von Mikro-Lautsprechern sind thermoviskose Effekte zu beachten. Schallwellen werden schwächer, nachdem sie sich in kleinen Strukturen aufgrund von thermischen und visksen Verlusten in den akustischen Grenzschichten ausgebreitet haben. Ein Mikro-Lautsprecher von Ole Wolff mit überlagertem Modell.
Schematische Schnittdarstellung des Mikro-Lautsprechers OWS-1943T-8CP von Ole Wolff Elektronik, dessen Eigenschaften simuliert wurden.
Elektromagnetische Analyse des Lautsprechermotors mit der Darstellung der magnetischen Flussdichte des Modells, das mit den Multiphysik-Simulationstools erstellt wurde. Gesättigte Bereiche sind in rot dargestellt.
Vergleich der gemessenen Impedanz des Ole-Wolff-Lautsprechers (blau) und der Daten aus dem Multiphysik-Simulationsmodell (grün). Die Daten stimmen nahezu perfekt überein.
Ein Miniatur-MEMS-Gyroskop besteht aus zwei zusammengefügten Stimmgabelstrukturen. Mit Hilfe der Multiphysik-Simulation lassen sich diese Designs testen und ihr Aufbau für mechanische Systeme optimieren.
Das Gyroskop erfasst die Drehbewegung und Winkelgeschwindigkeit eines Systems. Das Messsignal wird mittels der Resonanzmoden der Stimmgabeln erzeugt. Die Bewegung des Out-of-Plane-Sense-Modus wird durch die Wirkung der Corioliskraft verursacht, wenn sich das Gyroskop um die y-Achse dreht. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt wird zum Antrieb des In-Plane-Modus verwendet, während die Out-of-Plane-Bewegung durch den direkten piezoelektrischen Effekt abgetastet wird.
Bei der Modellierung des Gyroskops mit der Multiphysik-Software wird durch das Hinzufügen eines rotierenden Bezugsrahmens der jeweilige rotierende Körper berücksichtigt, mit dem das Gerät montiert ist.
Auch Durchflussmesser lassen sich mit Multiphysik-Simulation analysieren und modellieren. Diese basieren zum Beispiel auf der Messung der Coriolis-Kraft innerhalb einer Rohrleitung, wobei die Messvorrichtung aus einem oder mehreren oszillierenden Messrohren besteht.
Das Simulationsergebnis bildet die Änderungen der Oszillationsfrequenz für verscheidene Flüssigkeiten ab und die daraus resultierende Deformierung des Messrohres.
So sieht ein MEMS-Chip für die Messung von Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten aus: links der ganze Chip, rechts das Chip-Layout innerhalb des Sensors.
Die Simulation kann auch die Eigenschwingungs-Moden oszillierender Mikrokanäle abbilden. Die Farben repräsentieren die relative Auslenkungslevel in unterschiedlichen Regionen der Kanäle.
Temperaturerhöhungen sind ein großes Problem in diesen kleinen Sensorstrukturen. Die Temperaturverteilung im Chip lässt sich auch sehr gut modellieren und kann dem Entwickler zeigen, an welcher Stelle im Sensor die Flüssigkeit vermutlich zu heiß werden würde.