| |

MEM-CPS

 

> Micro-Elektro-Mechanischer Kapazitiver Druck Sensor

 

MEM-CPS ist eine EDA-Lösung zur Unterstützung von Designern bei der Entwicklung von kapazitiven Drucksensoren und der Integration in elektronische Schaltungen. Es wird das Layout des mechanischen Teils des Drucksensors und ein zur Simulation geeignetes VHDL-AMS Modell generiert. Das Sensormodell wurde mit der EMBLEM-Mecha Modellbibliothek erstellt. Das komplette elektromechanische System kann virtuell geprüft und optimiert werden.

Das Basisprinzip des Druckaufnehmers beruht auf der Durchbiegung der oberen Platte des Sensors (Membran) durch einen externen Druck. Dadurch entsteht eine Änderung der Kapazität, die durch die Ausleseschaltung erfasst wird. Das Systemverhalten beruht auf der Form der zu biegenden oberen Platte, die die Kapazität der Druckdose bestimmt. > Benutzerschnittstelle MICSTET Die kommandozeilenbasierte Benutzerschnittstelle berechnet aus den geometrischen Daten den Kontaktdruck  und die Arraykapazität bei 0 bar. Die Berechnung kann auch in der anderen Richtung erfolgen. Dann werden die geometrischen Abmessung angezeigt und eine Technologiedatei für das VHDL-AMS Modell sowie eine JOB-Datei für den Layoutgenerator erzeugt. > Layoutgenerator PSGEN Mit der von der Benutzerschnittstelle MICSTET erzeugten JOB-Datei erstellt der Ada basierende Layoutgenerator das Layout des kapazitiven Drucksensors im GDS II Format.

> Simulationsmodell

Das analytische VHDL-AMS Simulationsmodell läuft mit den im Datenblatt angegebenen Eingabeparametern auf SMASH. Es erlaubt eine schnelle und genaue Simulation. Dazu wird der externe Druck und die Spannung zwischen den elektrischen Anschlüssen betrachtet. Die Spannung zwischen den beiden Kondensatorplatten (Membran und Substrat) verursacht eine elektrostatische Kraft, die die Membran zusätzlich zum externen Druck durchbiegt. Das Verhalten der Polysiliziummembran wird beschrieben, auch wenn die Membran auf dem Substrat aufliegt (contact mode).

 

> MEM-CPS - VHDL-AMS model

> Symbol > Generic and Ports GENERIC Thickness Dicke der Membran QUANTITY P Variabler Druckeingang TERMINAL elec_p elec_n elektrischer Ein-/Ausgang der Kapazität > Simulation Example Das Simulationsfenster zeigt im ersten Plot zwei sich nicht überlappende Takte. Im zweiten Fenster ist der steigende Druck von 0 bis 10 bar (10.105Pa) zu sehen. Der dritte Plot stellt die maximale Durchbiegung der Referenz- und der Sensormembran dar. Die nächste Darstellung zeigt die Kapazität der beiden Elemente. Der letzte Plot zeigt die Ausgangsspannung der Ausleseschaltung.

> Variable Modellparameter tc_diameter Durchmesser des Sensors tc_t_gap Dicke des Abstandes zwischen Membran und Substrat tc_t_iso Dicke der Isolationsschicht tc_t_plate_sen Dicke der Sensormembran tc_t_plate_ref Dicke der Referenzmembran tc_emod Dielektrische Konstante des Isolationsmaterials tc_er_iso Dielektrische Konstante des Isolationsmaterials tc_v Poissants Zahl tc_k Randsteifigkeit der Polysiliziummembran tc_N_Poly Grad des Polynoms für die Berechnung des el.stat. Drucks tc_n Anzahl der Berechnungsschritte für die Durchbiegung tc_mult Anzahl von Sensoren auf dem Chip tc_t_grain Durchschnittliche Dicke der Körner tc_accuracy_P Genauigkeit des Polynomarrays tc_accuracy_W Genauigkeit des Durchbiegungsarrays   > Modellierte Sensorstruktur Das Modell des kapazitiven Drucksensors besteht aus vier unabhängigen Teilen: Durchbiegung der Membran unter externem Druck und dem elektrostatischen Druck Elektrostatischer Druck Berechnung der Kapazität Die elektrischen Anschlüsse