FEM Simulation

Mikroakustische Bauteile sind praktisch überall vertreten. Sie sind als Frequenzfilter in jedem Smartphone eingebaut, können aber auch als Temperatur- oder Drucksensor unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Um die steigenden Anforderungen an mikroakustischen Bauteilen und Sensoren für verschiedene Anwendungen zu erfüllen benötigte die Silicon Austria Labs GmbH ein leistungsfähiges Simulationswerkzeug das speziell für diesen Zweck entwickelt werden soll. Dieses Werkzeug wurde erfolgreich in den vergangenen 4 Jahren in Kollaboration mit der TU Wien entwickelt. Die Software basiert auf FEM Simulation und semi-analytischen Methoden und kann die Eigenschaften für verschiedenartigste mikroakustische Bauteile exakt berechnen.

SUCCESS STORY

Weltweit gibt es hohe F&E Aktivitäten für die Entwicklung von immer besseren Oberflächen-wellen (SAW – Surface Acoustic Wave) Filtern, um der ständig wachsenden Nachfrage und den immer herausfordernderen Spezifikationen der Smartphone-Industrie nachzukommen.

Eine wichtige Herausforderung ist das Erreichen von höheren Frequenzen (5 GHz), Bandbreiten und geringerer Verluste, wodurch die Leistung der Sende/Empfangselektronik stark verbessert werden kann. Bedeutende Anstrengungen werden auch in der Entwicklung von passiven SAW Funksensoren gemacht, die sich besonders für extreme Umweltbedingungen (sehr hohe Temperatur, korrosive, strahlenbelastete Umgebung) eignen, sowie für biomedizinische Sensoren die (ohne Batterie) implantiert werden können.

Obwohl SAL auf dem Gebiet der SAW Sensoren schon renommiert war, fehlte es an einem fortgeschrittenen Simulationswerkzeug, welches die Design- und Innovationspotentiale hebt und gleichzeitig die Entwicklungszeit stark reduzieren kann.

Dieses Werkzeug wurde nun in Zusammenarbeit mit der TU Wien/Institut für Mechanik und Mechatronik im Rahmen einer PhD Arbeit erfolgreich entwickelt. Diese Arbeit konzentrierte sich auf den FEM-Teil des Simulationswerkzeugs basierend auf dem lehrstuhleignen FE Code (CFS++), während die SAL eine Serie von semi-analytischen Modellen entwickelte. Im speziellen ist das SAL-Tool in der Lage schnell die Eigenschaften von Oberflächenwellen und Volumenwellen, die mit oder innerhalb von periodischen Elektrodenpaaren (Elektroden werden genutzt um Wellen zu generieren oder zu detektieren) interagieren zu berechnen.

Es ist essenziell, die Eigenschaften aller entstehenden Wellenmoden zu berechnen, um zunächst das mikroakustische Bauteil zu simulieren und anschließend zu optimieren. Beispielsweise wirken sich manche Modi als Nebensignale aus, die eliminiert werden müssen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die Parameter die aus der FEM Simulation gewonnen werden, nutzen anschließend der Berechnung der eigentlichen Frequenzen bzw. Zeitantworten des Bauteils; bei Sensorik-Anwendungen kann die Sensitivität gegenüber Temperatur oder Druck ermittelt werden.

Wird das SAW Bauteil in eine weitere Umgebung eingebettet wie eine Ankopplung an eine Antenne, Leiterplatte oder in ein Gehäuse so kann beispielsweise das gesamte thermische Verhalten des Systems von der Ansprechzeit bis zum Signalverhalten des SAW Sensors simuliert und optimiert werden.

 

WIRKUNGEN UND EFFEKTE

Dank des neuen Werkzeugs ist SAL nun in der Lage eine neue Bandbreite von innovativen mikroakustischen Bauteilen zu modellieren, zu simulieren und zu optimieren. Im Speziellen wird die Simulation helfen die nächste Generation von Multilagen-SAW-Filtern für die Kommunikationsbranche zu entwickeln.

Des Weiteren wird die Simulation bei der Entwicklung von SAW Sensoren für biomedizinische und industrielle Applikationen eingesetzt. Bereits bestehende Sensoren können durch die Möglichkeiten der exakten Simulation weiter verbessert werden. Die Hauptanwendungen liegen hier in der Stahl- und Automotivindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Ihr Ansprechpartner

Dr. Johannes Schicker

Senior Researcher Simulation

Telefon: + 43 (0) 4242 56300
E-mail: info@ctr.at