Schaltungssimulation mit FE-Modellen für mikroelektromechanische Systeme

Abstract

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) vereinen miniaturisierte Elektronik und Mechanik auf einem Substrat. Die Aufgabe der Elektronik liegt dabei typischerweise im Auslesen von Sensoren und der Anregung von Aktuatoren. In beiden Fällen Ist die Wechselwirkung zwischen Schaltung und Mechanik wesentlich für den Systementwurf. Dies erfordert eine dynamische Kosimulatlon der genannten Domänen, Der vorliegende Beitrag schlägt die Formulierung mechanischer, finiter Elemente (FE) In einer analogen Hardwarebeschreibungssprache (AHDL, Analog Hardware Descriptlon Language) vor, so daß diese dynamisch mit einer Schaltung simuliert werden können. Der Beitrag zeigt am Beispiel eines integrierten Drucksensorsystems, daß sich auf diese Weise komplette MEMS betrachten lassen und man somit bereits vor der Fertigung Informationen über die generelle Funktion, aber auch über wichtige Eigenschaften wie etwa Empfindlichkeit oder Linearität gewinnen kann.MIcroelectromechanical Systems (MEMS) comprise electronics and mechanics on one substrate. Typically, the electronic's task Is to accomplish readout of sensors or excitation of actuators. In both cases, the interference between circult and micromechanics Is cruclal for the system behavior. This calls for a dynamic Simulation of the above domalns. The paper proposes the formulation of mechanical finite elements (FE) in an analog hardware descriptlon language (AHDL) which enables thelr dynamic Simulation together with some circultry. The example of an integrated pressure sensor system Is used to illustrate the verificatlon of complete MEMS In terms of general function and propertles llke sensitivity or llnearity before fabricatlon.

Mechatronic Systems

“…In the following, an approach will be presented that allows the finite elements of structural mechanics to be represented in hardware description languages. This is based upon the work of Pelz et al [333] and Bielefeld et al [33] and [34]. Information on the mechanical foundation can be found in [19], [113] or [202].…”

“…Both cases require that the element matrices must be constructed in the model of the finite elements. In this way the approach described here, see [333] and [33], differs significantly from the (later) work of Haase et al [131] in which a system matrix of the mechanics constructed using a FE simulator is imported into a circuit simulator via a hardware description language.…”

“…The modelling of the mechanics is more difficult, see also Pelz et al [333] and Bielefeld et al [33]. Two fields of 18 pressure elements each-one is passivated, the other is non-passivated-have to be considered.…”