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FEM-Simulation und analytische Berechnung des mechanischen Verhaltens von piezoresistiven Silizium-Druckmesselementen

Klages/Sindlinger, Stephanie :
FEM-Simulation und analytische Berechnung des mechanischen Verhaltens von piezoresistiven Silizium-Druckmesselementen.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2003)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit der Beschreibung des mechanischen Verhaltens von piezoresistiven Silizium - Druckmesselementen. Wird auf die Druckmessplatte eine Belastung p aufgebracht, verformt sich die Druckmessplatte, und im Material entstehen mechanische Spannungen. Dieser Effekt wird in der Druckmesstechnik genutzt, indem implantierte Widerstände ihren Wert ändern.

Die Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Platte kann u.a. mit Hilfe von analytischen Berechnungen oder mittels FEM-Simulationen erfolgen. Der Sensor wird sowohl für die analytischen Berechnungen als auch die FEM-Simulationen vereinfacht als Platte dargestellt, wobei sich die Betrachtung in dieser Arbeit auf quadratische und runde Plattenformen beschränkt.

Nach einer Einführung in die Plattentheorie erfolgt eine Darstellung der Randbedingungen der fest eingespannten und der frei drehbar gelagerten Platte. Nichtlineare Effekte, die bei großen Durchbiegungen auftreten, werden erläutert.

Die Berechnungen und Simulationen der Platte erfolgen für sieben verschiedene Plattendicken zwischen d=0,01mm und d=0,2mm mit jeweils sieben Belastungsfällen zwischen p=0,04 bar und p=400 bar. Ausgewertet werden die maximale Durchbiegung wmax in der Plattenmitte und die mechanischen Spannungen Sx und Sy der Quadratplatte bzw. Sr und Sφ der Kreisplatte in der Plattenmitte und am Plattenrand.

Für den Vergleich der Ergebnisse der analytischen Berechnungen mit denen der FEM-Simulationen werden die Abweichungen bezogen auf das Ergebnis der FEM-Simulationen berechnet. Der Vergleich soll die Einsatzgrenzen verschiedener analytischer Ansätze aufzeigen.

Im Fall der Kreisplatte treten bei der Durchbiegung Abweichungen von minimal 0,03% für den linearen Ansatz bei kleinen Durchbiegungen und 1,5% bei großen Durchbiegungen und der nichtlinearen Theorie auf. Für die Quadratplatte werden bei der Durchbiegung im besten Fall sowohl für die linearen als auch die nichtlinearen Ansätze Abweichungen von unter 1% von den FEM-Simulationen erreicht.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2003
Autor(en): Klages/Sindlinger, Stephanie
Titel: FEM-Simulation und analytische Berechnung des mechanischen Verhaltens von piezoresistiven Silizium-Druckmesselementen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit der Beschreibung des mechanischen Verhaltens von piezoresistiven Silizium - Druckmesselementen. Wird auf die Druckmessplatte eine Belastung p aufgebracht, verformt sich die Druckmessplatte, und im Material entstehen mechanische Spannungen. Dieser Effekt wird in der Druckmesstechnik genutzt, indem implantierte Widerstände ihren Wert ändern.

Die Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Platte kann u.a. mit Hilfe von analytischen Berechnungen oder mittels FEM-Simulationen erfolgen. Der Sensor wird sowohl für die analytischen Berechnungen als auch die FEM-Simulationen vereinfacht als Platte dargestellt, wobei sich die Betrachtung in dieser Arbeit auf quadratische und runde Plattenformen beschränkt.

Nach einer Einführung in die Plattentheorie erfolgt eine Darstellung der Randbedingungen der fest eingespannten und der frei drehbar gelagerten Platte. Nichtlineare Effekte, die bei großen Durchbiegungen auftreten, werden erläutert.

Die Berechnungen und Simulationen der Platte erfolgen für sieben verschiedene Plattendicken zwischen d=0,01mm und d=0,2mm mit jeweils sieben Belastungsfällen zwischen p=0,04 bar und p=400 bar. Ausgewertet werden die maximale Durchbiegung wmax in der Plattenmitte und die mechanischen Spannungen Sx und Sy der Quadratplatte bzw. Sr und Sφ der Kreisplatte in der Plattenmitte und am Plattenrand.

Für den Vergleich der Ergebnisse der analytischen Berechnungen mit denen der FEM-Simulationen werden die Abweichungen bezogen auf das Ergebnis der FEM-Simulationen berechnet. Der Vergleich soll die Einsatzgrenzen verschiedener analytischer Ansätze aufzeigen.

Im Fall der Kreisplatte treten bei der Durchbiegung Abweichungen von minimal 0,03% für den linearen Ansatz bei kleinen Durchbiegungen und 1,5% bei großen Durchbiegungen und der nichtlinearen Theorie auf. Für die Quadratplatte werden bei der Durchbiegung im besten Fall sowohl für die linearen als auch die nichtlinearen Ansätze Abweichungen von unter 1% von den FEM-Simulationen erreicht.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Druckmessplatte, Durchbiegung, Finite Elemente Programm ANSYS, Kirchhoffsche Plattengleichung, Spannung mechanische
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:10
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1522

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 25-11-2002

Ende Datum: 15-09-2003

Querverweis: 17/24 EMKS 1482, 17/24 EMKS 1486

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1522
Gutachter / Prüfer: Stavroulis, Dipl.-Ing. Stefanos ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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