Irányfüggő poliszilícium anyagmodellek összehasonlítása MEMS strukturális elemek mechanikai modellezésénél

Comparison of direction-dependent material models for use in the simulation of MEMS structural elements

Abstract

Whether we speak about smartphones, wearables, hearables, drones, or cars, they all contain MEMS (micro- electro-mechanical system) sensors for the realization of different functions. The most common consumer applications are navigation, pressure and height measurement, voice detection, fitness and health functions. In the automotive industry, they are used for detecting crashes and monitoring the engine and the power train.

The main material of MEMS sensors is the polysilicon, consisting of single crystal silicon grains. These grains with their size of 1–2 µm are in general not negligible compared to the length scale of the MEMS structures (10 – 100 µm). Moreover, the grains acquire a columnar shape because of the deposition method, which lends a transversal elastic characteristic to the structures. The commonly applied isotropic assumption can lead to significant errors in this case.

In the present study, a comparison of a homogeneous isotropic, a transversal and an orthotropic (single- crystal) model is made in the cases of a tensile and a bending loading of a beam. The comparisons are based on simulations with random grain structures.

Kivonat

Akár okostelefonról, fülhallgatóról, okosóráról, drónról vagy autóról beszélünk, mindegyikről elmondható, hogy MEMS (micro-electromechanical system, mikro-elektromechanikai rendszer) szenzorokat tartalmaz különböző funkciók megvalósításához. A leggyakoribb felhasználási területek a navigáció, a lépésszámlálás, a beszéd érzékelése, illetve az autók esetében az ütközés felismerése, valamint a motor és hajtáslánc megfigyelése.

A MEMS szenzorok fő anyaga a poliszilícium, amely egykristály szemcsékből áll.   Ezek az 1 – 2

µm-es méretükkel a szenzorstruktúrák kis méretskálájából (10 – 100 µm) adódóan általánosságban nem elhanyagolhatóak. Továbbá a szemcsék a növesztés hatására oszlopszerűek lesznek, amely a struktúrának transzverzális tulajdonságot kölcsönöz. A gyakran alkalmazott izotróp feltételezéssel ebben az esetben jelentős hibát követhetünk el.

Jelen tanulmányban egy húzott és egy hajlított rúd példáján hasonlítjuk össze egy homogén izotróp, egy transzverzális és egy ortotróp (egykristály) szilícium anyagmodell viselkedését. Az összehasonlítás alapját mindkét esetben olyan szimulációk képezik, amelyek a szemcse-elrendezést is modellezik.