Modeling of resonant silicon microsensors (MEMS)
Analystische Auslegung von resonanten Sensoren / Analytical design of resonant sensors:
- DE: https://tfconsult.com/fe-modellierung-resonanter-sensoren/
- EN: https://tfconsult.com/fe-modeling-of-resonant-sensors/
Numerische FEM-Berechnungen mit ANSYS:
- https://tfconsult.com/resonant-microsensors/
- https://tfconsult.com/tag/modalanalyse/
- https://tfconsult.com/tag/FASENS/
- https://tfconsult.com/tag/fem/
- https://tfconsult.com/tag/zno/
- https://tfconsult.com/tag/piezo/
- https://tfconsult.com/research-development-of-microsensors/
- https://tfconsult.com/tag/bmft/
- https://tfconsult.com/tag/quarz/
- https://tfconsult.com/tag/MEMS/
- https://tfconsult.com/tag/ansys/
micro-electro-mechanical-systems
- Silicon & Quartz resonators
- piezoelectric thin-film layers (AlN, ZnO)
- PoC-samples wit PZT-ceramics
Sensors & Materials:
- https://sensors.myu-group.co.jp/index.php
- Invited Paper, 1997:
- https://sensors.myu-group.co.jp/article.php?ss=10308
“This paper is concerned with the modeling of resonant silicon microsensors using analytical as well as finite-element methods. In the case of simple resonator structures, ideal boundary conditions and isotropic material properties, analytical methods can be used to model the dynamic behaviour of resonant microsensors. For more complex resonator structures, arbitrary boundary conditions, anisotropic material properties, multi-layer structures, and in the presence of coupled-field effects, the finite-element method is well suited for simulating the behaviour of resonant microstructures. Beamlike force and diaphragm pressure sensors are used to demonstrate the capability of this method to calculate eigenfrequencies, mode shapes, load-dependent frequency changes and cross-sensitivities as well as to optimize the resonator geometry with respect to mode selectivity, mode decoupling, electromechanical coupling efficiency, and measuring range and sensitivity. The numerical results are compared to experimental data in order to verify the finite-element models.“
„Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung von resonanten Silizium-Mikrosensoren unter Verwendung analytischer sowie Finite-Elemente-Methoden. Bei einfachen Resonatorstrukturen, idealen Randbedingungen und isotropen Materialeigenschaften können analytische Methoden zur Modellierung des dynamischen Verhaltens von resonanten Mikrosensoren verwendet werden. Bei komplexeren Resonatorstrukturen, beliebigen Randbedingungen, anisotropen Materialeigenschaften, mehrschichtigen Strukturen und bei Vorhandensein von gekoppelten Feldeffekten eignet sich die Finite-Elemente-Methode gut zur Simulation des Verhaltens von resonanten Mikrostrukturen. Mit Hilfe von balkenartigen Kraft- und Membrandrucksensoren wird die Fähigkeit dieser Methode demonstriert, Eigenfrequenzen, Modenformen, lastabhängige Frequenzänderungen und Kreuzempfindlichkeiten zu berechnen sowie die Resonatorgeometrie hinsichtlich Modenselektivität, Modenentkopplung, elektromechanischer Kopplungseffizienz sowie Messbereich und Empfindlichkeit zu optimieren. Die numerischen Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen, um die Finite-Elemente-Modelle zu verifizieren.“
« Cet article traite de la modélisation des microcapteurs à résonance en silicium à l'aide de méthodes analytiques et d'éléments finis. Dans le cas de structures résonantes simples, de conditions aux limites idéales et de propriétés isotroopes des matériaux, les méthodes analytiques peuvent être utilisées pour modéliser le comportement dynamique des microcapteurs à résonance. Pour les structures de résonateurs plus complexes, les conditions aux limites arbitraires, les propriétés anisotropes des matériaux, les structures multicouches et en présence d'effets de champs couplés, la méthode des éléments finis est bien adaptée pour simuler le comportement des microstructures résonnantes. Des capteurs de force de type poutre et des capteurs de pression à membrane sont utilisés pour démontrer la capacité de cette méthode à calculer les fréquences propres, les formes modales, les changements de fréquence dépendants de la charge et les sensibilités croisées, ainsi qu'à optimiser la géométrie du résonateur en termes de sélectivité modale, de découplage modal, d'efficacité du couplage électromécanique, de plage de mesure et de sensibilité. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales afin de vérifier les modèles par éléments finis. »