Methods and tools for parametric modeling and simulation of microsystems based on finite element methods and order reduction technologies [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Vladimir Kolchuzhin

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Methods and Tools for Parametric Modeling and Simulation
of Microsystems based on Finite Element Methods
and Order Reduction Technologies

von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
(Dr.-Ing.)
vorgelegt

von Vladimir A. Kolchuzhin, M.Sc.
geboren am 11. Januar 1974 in Novosibirsk

eingereicht am: 12.02.2010

Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jan Mehner
Technische Universität Chemnitz
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Gerhard Wachutka
Technische Universität München

Tag der Verleihung: 12.05.2010
URL: http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/2010/0055
Bibliographische Beschreibung

Methoden und Werkzeuge zur parametrischen Modellierung und Simulation
von Mikrosystemen mit Finite Elemente Methoden und Ordnungsreduktionsverfahren

Kolchuzhin, Vladimir – 137 Seiten, 48 Abbildungen, 12 Tabellen, 120 Literaturstellen

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Dissertation (in englischer Sprache), 2010

Stichworte
Parametrische Simulation Finite-Elemente-Methode
Automatisches Differenzieren Ableitungen höherer Ordnung
FE-Netzerstellung und -anpassung Me- Substrukturtechnik
thode der modalen Superposition Parametrische Ordnungsreduktion

Kurzreferat
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur
parametrischen Finite Elemente Simulation von Mikrosystemen und zum Export dieser Modelle in
Elektronik- und Systemsimulationswerkzeuge vorgestellt.
Parametrische FE-Modelle beschreiben den Einfluss von geometrischen Abmessungen,
Schwankungen von Materialeigenschaften und veränderten Umgebungsbedingungen auf das
Funktionsverhalten von Sensoren und Aktuatoren. Parametrische FE-Modelle werden für die
Auswahl geeigneter Formelemente und deren Dimensionierung während des
Entwurfsprozesses in der Mikrosystemtechnik benötigt. Weiterhin ermöglichen parametrische Modelle
Sensitivitätsanalysen zur Bewertung des Einflusses von Toleranzen und Prozessschwankungen auf
die Qualität von Fertigungsprozessen. In Gegensatz zu üblichen Sample- und Fitverfahren
wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, welche die Taylorkoeffizienten höherer
Ordnung zur Beschreibung des Einflusses von Designparametern direkt aus der
Finite-ElementeFormulierung, durch Ableitungen der Systemmatrizen, ermittelt.
Durch Ordnungsreduktionsverfahren werden die parametrische FE-Modelle in verschiedene
Beschreibungssprachen für einen nachfolgenden Elektronik- und Schaltungsentwurf
überführt. Dadurch wird es möglich, neben dem Sensor- und Aktuatorentwurf auch das
Zusammenwirken von Mikrosystemen mit elektronischen Schaltungen in einer einheitlichen
Simulationsumgebung zu analysieren und zu optimieren.
Contents
Abbreviation and Symbol List 9
Vorwort 13
1 Introduction 15
1.1 Previous Related Studies ............................................................................................. 15
1.2 Present Contributions .................................................................................................. 16
1.3 Outline of the Thesis ................................................................................................... 16
2 Modeling and Simulation in MEMS Design 19
2.1 Evolution of Design and Methods ............................................................................... 19
2.2 FE-Simulations ............................................................................................................ 23
2.3 Recent Developments and Challenges in Reduced Order Modeling of MEMS ......... 27
2.3.1 Reduced Order Modeling of Fluid-Structural Interactions ................................ 30
2.3.2 Package-Transducer Interactions ....................................................................... 31
2.3.3 Assumptions and Restrictions ............................................................................ 31
3 Theoretical Background of HODM 35
3.1 Power Series Expansion of a Function ........................................................................ 35
3.1.1 Taylor Series ...................................................................................................... 35
3.1.2 Padé Approximant .............................................................................................. 36
3.1.3 Gevrey Series ..................................................................................................... 37
3.2 Parameterization of a Static Analysis .......................................................................... 38
3.2.1 Linear Case ......................................................................................................... 38
3.2.2 Non-linear Case .................................................................................................. 39
3.2.3 Secondary Results 40
3.3 Parameterization of a Modal Analysis ........................................................................ 40
3.4 Parameterization of a Harmonic Analysis ................................................................... 42
3.4.1 Frequency Sweep ............................................................................................... 43
3.4.1 Parameter Sweep ................................................................................................ 44
3.4.1 Parametric Frequency Sweep ............................................................................. 44
3.5 Parameterization of a Transient Analysis .................................................................... 44
3.5.1 Full Method ........................................................................................................ 44
3.5.2 Modal Superposition Method 45
3.6 Examples ..................................................................................................................... 46
3.6.1 Duffing Oscillator .............................................................................................. 46
3.6.2 Mass-Spring System ........................................................................................... 48
6 Contents

4 Implementation of HODM in FEA 53
4.1 Global Architecture ..................................................................................................... 53
4.2 The Derivatives of the FE Matrices ............................................................................ 55
4.2.1 Element Derivatives versus Material Properties ................................................ 57
4.2.2 Derivatives of a FE Matrix versus Geometrical Parameters .............................. 58
4.2.3 Derivatives of a FE Matrix versus Boundary Conditions .................................. 59
4.3 Derivatives of the Load Vectors .................................................................................. 60
4.3.1 Surface Load ...................................................................................................... 60
4.3.2 Volume Load 61
4.4 Differentiation ............................................................................................................. 62
4.4.1 Automatic Differentiation 62
4.4.2 Differentiation Rules .......................................................................................... 63
4.5 Parametric Mesh-morphing ......................................................................................... 65
4.5.1 Design Velocity Field 65
4.5.2 Smoothing Technique ........................................................................................ 66
4.5.3 Automated Mesh-Morphing Algorithm ............................................................. 67
4.6 Data Structure .............................................................................................................. 69
4.7 Substructuring Technique ........................................................................................... 70
4.7.1 Static Analysis .................................................................................................... 70
4.7.2 Component Mode Synthesis ............................................................................... 71
4.8 Error Estimation .......................................................................................................... 72
5 Application of HODM 75
5.1 Parametric Structural Analysis .................................................................................... 75
5.1.1 Linear Static Analysis ........................................................................................ 75
5.1.2 Variation in Material Properties ......................................................................... 78
5.1.3 Modal Analysis .................................................................................................. 79
5.1.4 Harmonic Analysis ............................................................................................. 79
5.2 Parametric Electrostatic Analysis ................................................................................ 80
5.3 Parametric Squeeze Film Analysis .............................................................................. 83
5.4 Advanced Examples .................................................................................................... 85
5.4.1 Discrete Analysis: Perforated Beam .................................................................. 85
5.4.2 Substructuring Technique: Folded-Flexure Resonator ...................................... 88
5.4.3 Parametric Sequential Coupled Analysis: Piezoresistive Element .................... 88
5.4.4 Non-Linear Static Analysis: Semiconductor Microtube ................................... 91
5.5 Discussion on Examples .............................................................................................. 93
6 Application of HODM to MEMS Macromodeling 95
6.1 Generation of MEMS Macromodels Using HODM ................................................... 95
6.1.1 Extraction of Strain Energy Functions ............................................................... 95
6.1.2 Extraction of Capacitance Functions .................................................................. 96 Contents 7

6.1.3 Extraction of Modal Damping Parameters for Squeeze Film Problems ............ 96
6.1.4 Example .............................................................................................................. 97
6.2 Parameterization of MEMS Reduced Order Models .................................................. 99
6.2.1 Algorithm Description ........................................................................................ 99
6.2.2 Fixed-Fixed Beam ............................................................................................ 100
7 Conclusions and Outlook 109
Appendix A. Isoparametric Finite Elements Formulations 111
Appendix B. Polynomial Index Notation in 2D Case 115
Appendix C. Analytical Models in an Electrostatically Actuated Fixed-Fixed Beam 117
References 119
List of Figures 129
List of Tables 131
Versicherung 133
Theses 135
Lebenslauf 137

Abbreviation and Symbol List
Latin symbols
a lattice constant
A area
B strain-displacement matrix
Cbinomial coefficient
C damping matrix
d modal damping constants of mode i i
D total deflection range of the structure max
D constitutive matrix, material matrix, elasticity matrix
E Young’s modulus
ffrequency
F load vector
Ggoal function
I identity matrix
JJacobian matrix, isoparametric transformation matrix
Kn Knudsen number
K stiffness matrix
M mass matrix
N shape functions
p parameter
P, P pressure, ambient pressure amb
Q quality factor
Rcurvature radius
R residual force vector
S stress stiffness matrix
t time
T, T temperature, reference temperature ref
T transformation matrix
u nodal displacement vector
v nodal velocity vector 10 Abbreviation and Symbol List

m subscript representing master degree of freedom
s subscript representing slave degree of freedom
x,y,z Cartesian coordinates
w weighting factor i
W energy

Mathematical symbols
 is proportional to
 for all
 there exists

{F} vector
[M], M matrix
Trace(M) trace of M
| M |, det(M ) determinant of M
M the i, j-th entry of M ij
TM transpose of M

n nd f (x) d y th, Leibniz's notation for the n derivative of the function y = f(x) at x
nndx dx
(n) thf (x) Lagrange's notation for the n derivative of the function f
thn nD y , D f Euler's notation for the nf x x
  y , y Newton's notation for differentiation, derivative with respect to time
f gradient of f

Greek symbols
 solution error
 forward difference
 strain vector
 eigenvector of mode i i
 boundary of the domain