WO2024149731A1 - Method and device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a mems system, and mems system - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method and a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical system (MEMS system).
- MEMS system microelectromechanical system
- the invention further relates to a MEMS system.
- the invention provides a method and a device for calculating frequency shifts at angular frequencies occurring in a MEMS system, as well as a MEMS system having the features of the independent patent claims.
- the invention therefore relates to a computer-implemented method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical MEMS system.
- the MEMS system is modeled by a finite element (FE) model.
- Modal angular frequencies and form factors are calculated for a plurality of main modes of the FE model.
- the totality of the modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and a plurality of secondary modes.
- the main modes comprise a drive mode of the MEMS system.
- a first force on the node that depends on the secondary modes is calculated using the form factors, and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode is calculated.
- First auxiliary modes are calculated that correspond to the first force.
- Second auxiliary modes are calculated that correspond to the second force.
- a first energy contribution and a second energy contribution are calculated using the first and second auxiliary modes.
- a frequency shift of one of the angular frequencies is calculated, which depends on an amplitude of the drive mode.
- the invention relates to a device for calculating frequency shifts in angular frequencies occurring in a MEMS system, with a computing device.
- the computing device is designed to model the MEMS system using an FE model and to calculate modal angular frequencies and to calculate form factors for a plurality of main modes of the FE model, wherein a totality of modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and secondary modes, wherein the main modes comprise a drive mode of the MEMS system.
- the computing device is further designed to calculate, for each node of the FE model, a first force on the node that depends on the secondary modes and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode using the form factors.
- the computing device is further designed to calculate first auxiliary modes that correspond to the first force and second auxiliary modes that correspond to the second force, and to calculate a first energy contribution and a second energy contribution using the first and second auxiliary modes.
- the computing device is further designed to calculate a frequency shift of the angular frequency that depends on an amplitude of the drive mode using the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution.
- the invention relates to a MEMS system with a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system.
- the MEMS system further comprises a control device which is designed to control at least one component of the MEMS system using a frequency shift of the angular frequency calculated by the device.
- the invention makes it possible to take into account nonlinear frequency shifts caused by geometric nonlinearities of the MEMS system.
- the drive mode (driven mode) can have a changing large amplitude, which leads to geometric nonlinearities, so that in turn frequency shifts arise, which can excite other modes in the event of resonance.
- the efficient and accurate evaluation of these frequency shifts is of great importance for the MEMS design and the product reliability of MEMS systems.
- the invention in particular provides a method and a device for the efficient and precise calculation of such frequency shifts caused by geometric nonlinearities.
- the method can only be carried out by using design methods and linear solution methods and is therefore not dependent on convergence criteria of numerical solvers or the like.
- the method is particularly applicable to oscillating mechanical sensor and actuator systems as MEMS systems with a high degree of quality in the limiting case of large mechanical strains but small mechanical stresses within the framework of elasticity theory.
- the calculation of the frequency shifts of the angular frequencies can be understood to mean that the angular frequency is calculated as a function of the amplitude of the drive mode.
- the frequency shift of the angular frequency is thus calculated as a function of the amplitude of the drive mode, relative to the angular frequency when the amplitude of the drive mode disappears.
- the FE model comprises a mass matrix and a stiffness matrix.
- the modal angular frequencies and the form factors for the main modes of the FE model are calculated using the mass matrix and the stiffness matrix.
- the first auxiliary modes and the second auxiliary modes are calculated using the stiffness matrix of the FE model.
- the FE model can be generated using known methods.
- mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force.
- the first energy contribution and the second energy contribution are further calculated using the mode coupling coefficients.
- the frequency shift of the angular frequency is further calculated using the mode coupling coefficients.
- the mode coupling coefficients correspond to effective interactions of modes.
- a nonlinear mechanical mode stress is calculated using the form factors.
- a modal Duffing coefficient and modal cross-Duffing coefficients are calculated using the nonlinear mechanical mode stress.
- the frequency shift of the angular frequency is further calculated using the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients.
- the Duffing coefficient ß denotes the coefficient of the cubic term in the so-called Duffing equation, where the same mode occurs cubically. With the cross-Duffing coefficient, different modes occur cubically.
- the mode coupling coefficients, the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients depend on the frequency shift of the angular frequency.
- the frequency shift of the angular frequency depends on the amplitude of the drive mode.
- the frequency shift of the angular frequencies is calculated iteratively. The iterative solution makes the calculation self-consistent in order to take into account a highly nonlinear dependence of the angular frequencies on the amplitude of the drive mode.
- a contribution of the secondary modes is calculated using the modal Duffing coefficient and modal cross-Duffing coefficient, the first energy contribution and the second energy contribution.
- the secondary modes are thus described by the effective energy contributions, i.e. the summation over the secondary modes is carried out effectively.
- a contribution of the main modes is calculated to calculate the frequency shift of the angular frequency, wherein contributions of all main modes are summed.
- the Contributions of the main modes are thus explicitly taken into account.
- 3-mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force.
- the frequency shift of the angular frequency is further calculated using the 3-mode coupling coefficients.
- the 3-mode coupling coefficients (or 3-wave coupling coefficients) denote effective interactions of three modes.
- the MEMS system is further controlled using the calculated frequency shift of the angular frequency.
- the control of micromirrors or rotation rate sensors can be dependent on the calculated frequency shift of the angular frequency.
- Figure 1 is a schematic block diagram of a MEMS system with a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a MEMS system according to an embodiment of the invention.
- Figure 2 is a flow chart of a method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a MEMS system according to an embodiment of the invention.
- the numbering of process steps is for clarity and should not generally imply a specific chronological order. In particular, several process steps can be carried out simultaneously.
- Figure 1 shows a schematic block diagram of a MEMS system 1 with a device 2 for calculating frequency shifts of angular frequencies that occur in the MEMS system 1.
- the MEMS system 1 can be, for example, a sensor device or an actuator device.
- the MEMS system 1 comprises, for example, a micromirror and/or a rotation rate sensor, such as a MEMS gyroscope.
- the device 2 comprises a computing device 4 and a storage device 5.
- the computing device 4 can comprise software and/or hardware components, such as processors, microprocessors, microcontrollers, integrated circuits, application-oriented integrated circuits or the like.
- the storage device 5 can comprise a volatile or non-volatile memory, such as a hard disk, memory card or the like.
- the computing device 4 is designed to model the MEMS system using an FE model.
- the FE model enables a mode analysis and the computing device 4 determines two global FE matrices, the mass matrix M and the stiffness matrix K.
- the computing device 4 further performs a mode analysis, where the generalized eigenvalue problem: is solved to determine the modal angular frequencies a> n and the modal shape functions S n .
- modal and "mode-" indicate that the quantities thus specified refer to the modes occurring in the FE model.
- the number of modes corresponds to the number of degrees of freedom (DOF) in the FE model.
- DOF degrees of freedom
- a main modes are determined so that n E ⁇ 1,2, ... A ⁇ with N « DOF.
- the number of A main modes can be in the order of 10 to 100, the total number of nodes can be several million.
- the total modes of the FE model are thus divided into main modes and secondary modes.
- the secondary modes correspond to the modes with n > N.
- the main modes include in particular at least one drive mode of the MEMS system.
- the drive mode is a mode that corresponds to the drive of the MEMS system 1, such as a primarily occurring oscillation of a micromirror or rotation rate sensor.
- angular frequencies are very important for the design process. They are constant quantities in the linear region of device operation, but they change due to geometric nonlinearities as the oscillation amplitude of the drive mode increases. Such a drive mode is always present in MEMS angular rate sensors and resonant MEMS micromirrors as part of their functionality. The angular frequencies therefore depend on the amplitude A of the drive mode.
- the computing device calculates a first force F n on the node that depends on the secondary modes and a second force F dn on the node that depends on the secondary modes and the drive mode using the form factors.
- the first force and the second force can be called renovation forces because they include the contributions of all secondary modes and thus allow an effective description of the forces on the modes.
- the n-th renormalization force F n (ie the first force with respect to mode n) is determined at each node n of the FE model using standard discretization methods for finite elements.
- the n-th renormalization force at the node // in the -tcn spatial direction is given by:
- the Einstein summation convention is used, in which a sum is implicitly formed over duplicate indices.
- the calculation can be carried out on the basis of standard FE methods, whereby the element shape function /V is calculated and the integration of the volume is carried out over the element integration points.
- St also denotes the Kronecker symbol, denotes the linear mechanical mode stress, denotes the nonlinear mechanical mode stress and D i ] k i the material tensor of the linear-elastic material described by the FE model.
- the n-th renormalization pair force F dn (second force with respect to mode n) is calculated, which acts on the node p in the -tcn spatial direction, given by
- Equations (1) and (2) can be computed numerically, requiring only construction steps and vector and matrix multiplications for given modal shape functions S n . Numerically computationally intensive steps such as matrix inversion are not required and the number of construction steps scales linearly with the number of principal modes N.
- the computing device 4 is designed to calculate first auxiliary modes, which correspond to the first force, and second auxiliary modes, which correspond to the second force, for each node n.
- the first auxiliary modes can also be referred to as renormalization modes p n and the second auxiliary modes can be referred to as renormalization mode pairs p dn , where the index d refers to the drive mode.
- the following linear algebraic equations are solved, which depend on the stiffness matrix K and the first and second forces:
- the calculation can be performed with conventional FE solvers to obtain the first auxiliary modes (renormalization modes) p n and the second auxiliary modes (renormalization mode pairs) p dn .
- the computing device 4 further calculates mode coupling coefficients a ncc and a dnc using the form factors S n , the first force F n and the second force F dn .
- the computing device 4 further calculates for each node n a first energy contribution R d (with respect to the drive mode) and a second energy contribution R n (with respect to the other main modes) using the first auxiliary modes p n , the second auxiliary modes p dn , the mode coupling coefficients a ddn , a dnm , the stiffness matrix K and the mass matrix M according to the following formulas: and )
- a> d denotes the angular frequency of the drive mode and o) c the angular frequency of the main modes, where o) d (0), a> c (0) indicates that the dependence on the oscillation amplitude A d of the drive mode d is neglected or the oscillation amplitude A d of the drive mode d is set equal to zero.
- the computing device 4 further calculates a nonlinear mechanical
- the computing device 4 calculates modal cross-Duffing coefficients and the modal Duffing coefficient ß using the mechanical mode stress ?7 ' m according to the following formulas:
- the computing device 4 is further designed to use the modal angular frequencies, the first energy contribution, the second energy contribution, the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients and the mode Coupling coefficients are used to calculate a frequency shift of the angular frequency (ie a dependence of the angular frequency on the amplitude of the drive mode) which depends on an amplitude of the drive mode. This is described in more detail below.
- the dynamic transfer functions a ddc and b ddc depend on the angular frequencies a> n and the modal quality factor Q c of mode c, which are given in the FE model for all main modes.
- the dynamic transfer functions are defined by
- the dynamic transfer functions depend on the oscillation amplitude A d of the drive mode, since the angular frequencies depend on the drive amplitude.
- the closed expression for the n-th angular frequency dependent on the oscillation amplitude A d of the drive mode is given by for n G ⁇ 1,2, ... N ⁇ nd ⁇ , with the n-th renormalization energy independent of the drive amplitude (first renormalization energy for mode n):
- the first and second renormalization energies have already been calculated according to the above formulas (7) and (8).
- the calculation device 4 has also already calculated the other quantities required for equation (12) and can thus calculate the frequency shifts of the angular frequencies j n (A d ), j d (A d ).
- the modal coefficients ß, V n and a dnm for modes within the main mode set i.e. n, m G ⁇ 1,2, ... , Ai ⁇ were efficiently calculated and the summation over quantities not within the main mode set, i.e. C>N ⁇ was also carried out.
- the solution was determined for the highly nonlinear case where both the angular frequencies and the dynamic transfer functions depend on the amplitude of the driving mode.
- a spectrally self-consistent renormalization procedure can be used to take into account the highly nonlinear dependence of the angular frequencies on the amplitude of the driving mode.
- the dynamic transfer functions a ddc , C ddc a dnc C dnc depend on the angular frequencies, which in turn depend on the amplitude of the driving mode.
- the MEMS system 10 further comprises a control device 3, which controls a component 6 of the MEMS system 1 using the frequency shifts calculated by the device 2, such as a micromirror or a rotation rate sensor.
- Figure 2 shows a flow chart of a method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system 1.
- the method is particularly applicable to the MEMS system 1 described above and can be carried out by the device 2 described above.
- the device 2 described above can be designed to carry out the method described below.
- the MEMS system 1 is modeled by a finite element (FE) model, wherein the FE model comprises a mass matrix M and a stiffness matrix K.
- FE finite element
- modal angular frequencies and form factors for a large number of main modes of the FE model are calculated using the mass matrix M and the stiffness matrix K.
- the totality of the modes of the FE model is divided into the large number of main modes and a large number of secondary modes.
- the main modes include a drive mode of the MEMS system 1.
- a first force on the node that depends on the secondary modes is calculated using the form factors, and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode is calculated.
- mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force
- first auxiliary modes which correspond to the first force, are calculated using the stiffness matrix K of the FE model.
- Second auxiliary modes which correspond to the second force, are calculated using the stiffness matrix K of the FE model.
- a first energy contribution and a second energy contribution are calculated using the first and second auxiliary modes and the mode coupling coefficients.
- a nonlinear mechanical mode stress is calculated using the form factors.
- a process step S8 the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients are calculated using the mechanical mode stress.
- a method step S9 3-mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force.
- a frequency shift of an angular frequency is calculated using the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients, the 3-mode coupling coefficients, the mode coupling coefficients, the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution, which frequency shift depends on an amplitude of the drive mode.
- the calculation can be carried out for all main modes.
- a contribution from the secondary modes is calculated using the modal Duffing coefficient, the modal cross-Duffing coefficients, the first energy contribution, and the second energy contribution.
- a contribution from the main modes is calculated by summing over contributions from all main modes.
- calculation can be done iteratively, as described above.
- the MEMS system 1 can be controlled using the calculated force on the main modes.
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Abstract
In a computer implemented method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a micro-electromechanical system, MEMS, the MEMS system is modelled by a finite element (FE) model. Modal angular frequencies and form factors are calculated for a plurality of major modes of the FE model. The entirety of the modes of the FE model are thereby divided into a plurality of main modes and into a plurality of minor modes. The major modes comprise a drive mode of the MEMS system. For each node of the FE model, a first force on the node dependent on the minor modes is calculated using the form factors, and a second force on the node dependent on the minor modes and the drive mode is calculated. First auxiliary modes are calculated, which correspond to the first force. Second auxiliary modes are calculated, which correspond to the second force. A first energy contribution and a second energy contribution are calculated using the first and second auxiliary modes. Using the modal angular frequencies, a frequency shift of one of the angular frequencies is calculated from the first energy contribution and the second energy contribution, which is dependent on an amplitude of the drive mode.
Description
Beschreibung Description
Titel Title
Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen, und MEMS-System Method and apparatus for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a MEMS system, and MEMS system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem mikroelektromechanischen System (MEMS- System) auftretenden Winkelfrequenzen. Weiter betrifft die Erfindung ein MEMS- System. The present invention relates to a method and a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical system (MEMS system). The invention further relates to a MEMS system.
Stand der Technik State of the art
Steigende Anforderungen an die Leistung und die Funktionalität bei niedrigen Kosten erfordern miniaturisierte und komplexere MEMS-Designs. Als Folge der Miniaturisierung entstehen Herausforderungen in den Entwicklungsphasen durch unerwartetes nichtlineares Verhalten in MEMS-Systemen, etwa mit Gyroskopen und Mikrospiegeln, das auf geometrische Nichtlinearitäten zurückzuführen ist. Increasing demands for performance and functionality at low cost require miniaturized and more complex MEMS designs. As a result of miniaturization, challenges in the development phases arise from unexpected nonlinear behavior in MEMS systems, such as gyroscopes and micromirrors, which are due to geometric nonlinearities.
Ein wichtiges Merkmal geometrischer Nichtlinearitäten sind Frequenzverschiebungen von Winkelfrequenzen, die aufgrund der großen Änderungen der Schwingungsamplituden der getriebenen Mode auf alle Moden wirken. Diese Frequenzverschiebungen können unerwartete Resonanzen erzeugen, die zu unerwünschten nichtlinearen Effekten führen und die Zuverlässigkeit des MEMS- Systems beeinträchtigen. An important feature of geometric nonlinearities are frequency shifts of angular frequencies that affect all modes due to large changes in the oscillation amplitudes of the driven mode. These frequency shifts can generate unexpected resonances that lead to undesirable nonlinear effects and affect the reliability of the MEMS system.
Bei der Entwicklung von MEMS-Systemen werden zahlreiche Simulationen und Bewertungen der Leistungsparameter durchgeführt, um die Entscheidungsprozesse bei der Produktentwicklung zu unterstützen. Besonders anspruchsvoll ist die Simulation geometrisch nichtlinearer Phänomene. When developing MEMS systems, numerous simulations and evaluations of performance parameters are carried out to support the decision-making processes in product development. The simulation of geometrically nonlinear phenomena is particularly challenging.
Aus Touze et al. “Model order reduction methods for geometrically nonlinear structures: a review of nonlinear techniques”, Nonlinear Dyn. 105, 1141-1190 (2021) ist ein approximativer Ansatz zur Reduzierung der Modellordnung bekannt.
Es besteht jedoch Bedarf an effizienten Ansätzen für die Bestimmung der durch geometrische Nichtlinearitäten bedingten Frequenzverschiebungen von Winkelfrequenzen in einem realen MEMS-System mit hoher Modendichte. An approximate approach to reducing the model order is known from Touze et al. “Model order reduction methods for geometrically nonlinear structures: a review of nonlinear techniques”, Nonlinear Dyn. 105, 1141-1190 (2021). However, there is a need for efficient approaches to determine the frequency shifts of angular frequencies caused by geometric nonlinearities in a real MEMS system with high mode density.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen bei einem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen, sowie ein MEMS-System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit. The invention provides a method and a device for calculating frequency shifts at angular frequencies occurring in a MEMS system, as well as a MEMS system having the features of the independent patent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein computerimplementiertes Verfahren zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem mikroelektromechanischen, MEMS, -System auftretenden Winkelfrequenzen. Das MEMS-System wird durch ein fmite-Elemente (FE)-Modell modelliert. Es werden modale Winkelfrequenzen und Formfaktoren für eine Vielzahl von Hauptmoden des FE- Modells berechnet. Die Gesamtheit der Moden des FE-Modells wird dabei in die Vielzahl von Hauptmoden und in eine Vielzahl von Nebenmoden unterteilt. Die Hauptmoden umfassen eine Antriebsmode des MEMS-Sy stems. Für jeden Knoten des FE -Modells wird unter Verwendung der Formfaktoren eine von den Nebenmoden abhängige erste Kraft auf den Knoten berechnet und es wird eine von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängige zweite Kraft auf den Knoten berechnet. Erste Hilfsmoden werden berechnet, welche der ersten Kraft entsprechen. Zweite Hilfsmoden werden berechnet, welche der zweiten Kraft entsprechen. Ein erster Energiebeitrag und ein zweiter Energiebeitrag werden unter Verwendung der ersten und zweiten Hilfsmoden berechnet. Unter Verwendung der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags wird eine Frequenzverschiebung einer der Winkelfrequenzen berechnet, welche von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt. According to a first aspect, the invention therefore relates to a computer-implemented method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical MEMS system. The MEMS system is modeled by a finite element (FE) model. Modal angular frequencies and form factors are calculated for a plurality of main modes of the FE model. The totality of the modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and a plurality of secondary modes. The main modes comprise a drive mode of the MEMS system. For each node of the FE model, a first force on the node that depends on the secondary modes is calculated using the form factors, and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode is calculated. First auxiliary modes are calculated that correspond to the first force. Second auxiliary modes are calculated that correspond to the second force. A first energy contribution and a second energy contribution are calculated using the first and second auxiliary modes. Using the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution, a frequency shift of one of the angular frequencies is calculated, which depends on an amplitude of the drive mode.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen bei einem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen, mit einer Recheneinrichtung. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, das MEMS- System durch ein FE-Modell zu modellieren und modale Winkelfrequenzen und
Formfaktoren für eine Vielzahl von Hauptmoden des FE-Modells zu berechnen, wobei eine Gesamtheit von Moden des FE-Modells in die Vielzahl von Hauptmoden und in Nebenmoden unterteilt wird, wobei die Hauptmoden eine Antriebsmode des MEMS- Sy stems umfassen. Die Recheneinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, für jeden Knoten des FE-Modells eine von den Nebenmoden abhängige erste Kraft auf den Knoten und eine von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängige zweite Kraft auf den Knoten unter Verwendung der Formfaktoren zu berechnen. Weiter ist die Recheneinrichtung ausgebildet, erste Hilfsmoden, welche der ersten Kraft entsprechen, und zweite Hilfsmoden, welche der zweiten Kraft entsprechen, zu berechnen, und unter Verwendung der ersten und zweiten Hilfsmoden einen ersten Energiebeitrag und einen zweiten Energiebeitrag zu berechnen. Die Recheneinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, unter Verwendung der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags eine Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz zu berechnen, welche von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt. According to a second aspect, the invention relates to a device for calculating frequency shifts in angular frequencies occurring in a MEMS system, with a computing device. The computing device is designed to model the MEMS system using an FE model and to calculate modal angular frequencies and to calculate form factors for a plurality of main modes of the FE model, wherein a totality of modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and secondary modes, wherein the main modes comprise a drive mode of the MEMS system. The computing device is further designed to calculate, for each node of the FE model, a first force on the node that depends on the secondary modes and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode using the form factors. The computing device is further designed to calculate first auxiliary modes that correspond to the first force and second auxiliary modes that correspond to the second force, and to calculate a first energy contribution and a second energy contribution using the first and second auxiliary modes. The computing device is further designed to calculate a frequency shift of the angular frequency that depends on an amplitude of the drive mode using the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein MEMS-System mit einer Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen. Das MEMS-System umfasst weiter eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, mindestens eine Komponente des MEMS- Systems unter Verwendung einer von der Vorrichtung berechneten Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz anzusteuern. According to a third aspect, the invention relates to a MEMS system with a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system. The MEMS system further comprises a control device which is designed to control at least one component of the MEMS system using a frequency shift of the angular frequency calculated by the device.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die Erfindung ermöglicht die Berücksichtigung nichtlinearer Frequenzverschiebungen, die durch geometrische Nichtlinearitäten des MEMS-Systems hervorgerufen werden. Die Antriebsmode (getriebene Mode) kann dabei eine sich ändernde große Amplitude aufweisen, was zu geometrischen Nichtlinearitäten führt, sodass wiederum Frequenzverschiebungen entstehen, welche bei Resonanzen andere Moden anregen können. The invention makes it possible to take into account nonlinear frequency shifts caused by geometric nonlinearities of the MEMS system. The drive mode (driven mode) can have a changing large amplitude, which leads to geometric nonlinearities, so that in turn frequency shifts arise, which can excite other modes in the event of resonance.
Die effiziente und genaue Auswertung dieser Frequenzverschiebungen ist von großer Bedeutung für das MEMS-Design und die Produktzuverlässigkeit von MEMS-Systemen. Die Erfindung stellt insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten und
genauen Berechnung solcher durch geometrische Nichtlinearitäten hervorgerufenen Frequenzverschiebungen bereit. The efficient and accurate evaluation of these frequency shifts is of great importance for the MEMS design and the product reliability of MEMS systems. The invention in particular provides a method and a device for the efficient and precise calculation of such frequency shifts caused by geometric nonlinearities.
Das Verfahren kann dabei nur durch Verwendung von Konstruktionsverfahren und linearen Lösungsverfahren ausgeführt werden und ist daher nicht auf Konvergenzkriterien numerischer Löser oder dergleichen angewiesen. Das Verfahren ist insbesondere auf oszillierende mechanische Sensor- und Aktorsysteme als MEMS-Systeme mit hohem Gütegrad im Grenzfall großer mechanischer Dehnungen aber kleiner mechanischer Spannungen im Rahmen der Elastizitätstheorie anwendbar. The method can only be carried out by using design methods and linear solution methods and is therefore not dependent on convergence criteria of numerical solvers or the like. The method is particularly applicable to oscillating mechanical sensor and actuator systems as MEMS systems with a high degree of quality in the limiting case of large mechanical strains but small mechanical stresses within the framework of elasticity theory.
Unter der Berechnung der Frequenzverschiebungen der Winkelfrequenzen kann im Sinne dieser Erfindung verstanden werden, dass die Winkelfrequenz als Funktion der Amplitude der Antriebsmode berechnet wird. Es wird somit die Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz in Abhängigkeit von der Amplitude der Antriebsmode berechnet, relativ zur Winkelfrequenz bei verschwindender Amplitude der Antriebsmode. In the context of this invention, the calculation of the frequency shifts of the angular frequencies can be understood to mean that the angular frequency is calculated as a function of the amplitude of the drive mode. The frequency shift of the angular frequency is thus calculated as a function of the amplitude of the drive mode, relative to the angular frequency when the amplitude of the drive mode disappears.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen umfasst das FE -Modell eine Massenmatrix und eine Steifigkeitsmatrix. Das Berechnen der modalen Winkelfrequenzen und der Formfaktoren für die Hauptmoden des FE- Modells erfolgt unter Verwendung der Massenmatrix und der Steifigkeitsmatrix. Das Berechnen der ersten Hilfsmoden und der zweiten Hilfsmoden erfolgt unter Verwendung der Steifigkeitsmatrix des FE-Modells. Das FE -Modell kann nach bekannten Verfahren generiert werden. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, the FE model comprises a mass matrix and a stiffness matrix. The modal angular frequencies and the form factors for the main modes of the FE model are calculated using the mass matrix and the stiffness matrix. The first auxiliary modes and the second auxiliary modes are calculated using the stiffness matrix of the FE model. The FE model can be generated using known methods.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen werden Moden-Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft berechnet. Das Berechnen des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags erfolgt weiter unter Verwendung der Moden- Kopplungskoeffizienten. Das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz erfolgt weiter unter Verwendung der Moden-Kopplungskoeffizienten. Die Moden- Kopplungskoeffizienten entsprechen effektiven Wechselwirkungen von Moden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen wird eine nichtlineare mechanische Modenspannung unter Verwendung der Formfaktoren berechnet. Ein modaler Duffing-Koeffizient und modale Kreuz-Duffing-Koeffizienten werden unter Verwendung der nichtlinearen mechanischen Modenspannung berechnet. Das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz erfolgt weiter unter Verwendung des modalen Duffing-Koeffizienten und der modalen Kreuz-Duffmg- Koeffizienten. Der Duffing-Koeffizient ß bezeichnet dabei den Koeffizienten des kubischen Terms in der sogenannten Duffing-Gleichung, wobei dieselbe Mode kubisch auftritt. Beim den Kreuz-Duffing-Koeffizienten (englisch: cross-Duffing coefficient) treten verschiedene Moden kubisch auf. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force. The first energy contribution and the second energy contribution are further calculated using the mode coupling coefficients. The frequency shift of the angular frequency is further calculated using the mode coupling coefficients. The mode coupling coefficients correspond to effective interactions of modes. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, a nonlinear mechanical mode stress is calculated using the form factors. A modal Duffing coefficient and modal cross-Duffing coefficients are calculated using the nonlinear mechanical mode stress. The frequency shift of the angular frequency is further calculated using the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients. The Duffing coefficient ß denotes the coefficient of the cubic term in the so-called Duffing equation, where the same mode occurs cubically. With the cross-Duffing coefficient, different modes occur cubically.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen hängen die Moden-Kopplungskoeffizienten, den modalen Duffing-Koeffizienten und die modalen Kreuz-Duffing-Koeffizienten von der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz ab. Die Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz hängt von der Amplitude der Antriebsmode ab. Die Berechnung der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenzen erfolgt iterativ. Durch die iterative Lösung erfolgt die Berechnung selbstkonsistent, um eine hochgradig nichtlineare Abhängigkeit der Winkelfrequenzen von der Amplitude der Antriebsmode zu berücksichtigen. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, the mode coupling coefficients, the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients depend on the frequency shift of the angular frequency. The frequency shift of the angular frequency depends on the amplitude of the drive mode. The frequency shift of the angular frequencies is calculated iteratively. The iterative solution makes the calculation self-consistent in order to take into account a highly nonlinear dependence of the angular frequencies on the amplitude of the drive mode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen wird zum Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz ein Beitrag der Nebenmoden unter Verwendung des modalen Duffing-Koeffizienten und modalen Kreuz- Duffing-Koeffizienten, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags berechnet. Die Nebenmoden werden somit durch die effektiven Energiebeiträge beschrieben, d.h. die Summation über die Nebenmoden wird effektiv durchgeführt. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, in order to calculate the frequency shift of the angular frequency, a contribution of the secondary modes is calculated using the modal Duffing coefficient and modal cross-Duffing coefficient, the first energy contribution and the second energy contribution. The secondary modes are thus described by the effective energy contributions, i.e. the summation over the secondary modes is carried out effectively.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen wird zum Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz ein Beitrag der Hauptmoden berechnet, wobei über Beiträge aller Hauptmoden summiert wird. Die
Beiträge der Hauptmoden werden somit explizit berücksichtigt. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, a contribution of the main modes is calculated to calculate the frequency shift of the angular frequency, wherein contributions of all main modes are summed. The Contributions of the main modes are thus explicitly taken into account.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen werden 3-Moden-Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft berechnet. Das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz erfolgt weiter unter Verwendung der 3-Moden- Kopplungskoeffizienten. Die 3-Moden-Kopplungskoeffizienten (bzw. 3-Wellen- Kopplungskoeffizienten) bezeichnen effektive Wechselwirkungen von drei Moden. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, 3-mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force. The frequency shift of the angular frequency is further calculated using the 3-mode coupling coefficients. The 3-mode coupling coefficients (or 3-wave coupling coefficients) denote effective interactions of three modes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen wird weiter das MEMS-System unter Verwendung der berechneten Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz angesteuert. Beispielsweise kann die Ansteuerung von Mikrospiegeln oder Drehratensensoren von der berechneten Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz abhängig sein. According to a further embodiment of the method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system, the MEMS system is further controlled using the calculated frequency shift of the angular frequency. For example, the control of micromirrors or rotation rate sensors can be dependent on the calculated frequency shift of the angular frequency.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Short description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Systems mit einer Vorrichtung zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und Figure 1 is a schematic block diagram of a MEMS system with a device for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a MEMS system according to an embodiment of the invention; and
Figur 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem MEMS-System auftretenden Winkelfrequenzen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Figure 2 is a flow chart of a method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a MEMS system according to an embodiment of the invention. The numbering of process steps is for clarity and should not generally imply a specific chronological order. In particular, several process steps can be carried out simultaneously.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Systems 1 mit einer Vorrichtung 2 zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von Winkelfrequenzen, welche bei dem MEMS-System 1 auftreten. Bei dem MEMS-System 1 kann es sich beispielsweise um eine Sensorvorrichtung oder eine Aktorvorrichtung handeln. Das MEMS System 1 umfasst beispielsweise einen Mikrospiegel und/oder einen Drehratensensor, etwa ein MEMS-Gyroskop. Figure 1 shows a schematic block diagram of a MEMS system 1 with a device 2 for calculating frequency shifts of angular frequencies that occur in the MEMS system 1. The MEMS system 1 can be, for example, a sensor device or an actuator device. The MEMS system 1 comprises, for example, a micromirror and/or a rotation rate sensor, such as a MEMS gyroscope.
Die Vorrichtung 2 umfasst eine Recheneinrichtung 4 und eine Speichereinrichtung 5. Die Recheneinrichtung 4 kann Software- und/oder Hardwarekomponenten umfassen, etwa Prozessoren, Mikroprozessoren, Mikrokontroller, integrierte Schaltkreise, anwendungsorientierte integrierte Schaltkreise oder dergleichen. Die Speichereinrichtung 5 kann einen flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speicher umfassen, etwa eine Festplatte, Speicherkarte oder dergleichen. The device 2 comprises a computing device 4 and a storage device 5. The computing device 4 can comprise software and/or hardware components, such as processors, microprocessors, microcontrollers, integrated circuits, application-oriented integrated circuits or the like. The storage device 5 can comprise a volatile or non-volatile memory, such as a hard disk, memory card or the like.
Die Recheneinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, das MEMS-System durch ein FE -Modell zu modellieren. Das FE-Modell ermöglicht eine Modenanalyse und die Recheneinrichtung 4 ermittelt dabei zwei globale FE-Matrizen, die Massenmatrix Mund die Steifigkeitsmatrix K. The computing device 4 is designed to model the MEMS system using an FE model. The FE model enables a mode analysis and the computing device 4 determines two global FE matrices, the mass matrix M and the stiffness matrix K.
Die Recheneinrichtung 4 führt weiter eine Modenanalyse durch, wobei das verallgemeinerte Eigenwertproblem:
gelöst wird, um die modalen Winkelfrequenzen a>n und die modalen Formfunktionen Sn zu bestimmen. Die Ausdrücke „modal“ bzw. „Mode-...“ deuten dabei an, dass die dadurch näher bezeichneten Größen sich auf die in dem FE-Modell auftretenden Moden beziehen.
Im Prinzip entspricht die Anzahl der Moden der Anzahl der Freiheitsgrade (DOF) im FE- Modell. Bei der Modenanalyse werden A Hauptmoden bestimmt, so dass n E {1,2, ... A} mit N « DOF. Die Anzahl Ader Hauptmoden kann in der Größenordnung 10 bis 100 liegen, die Gesamtanzahl der Knoten kann mehrere Millionen betragen. Die Gesamtheit der Moden des FE -Modells wird somit in Hauptmoden und in Nebenmoden unterteilt. Die Nebenmoden entsprechen dabei den Moden mit n > N. The computing device 4 further performs a mode analysis, where the generalized eigenvalue problem: is solved to determine the modal angular frequencies a> n and the modal shape functions S n . The terms "modal" and "mode-..." indicate that the quantities thus specified refer to the modes occurring in the FE model. In principle, the number of modes corresponds to the number of degrees of freedom (DOF) in the FE model. During the mode analysis, A main modes are determined so that n E {1,2, ... A} with N « DOF. The number of A main modes can be in the order of 10 to 100, the total number of nodes can be several million. The total modes of the FE model are thus divided into main modes and secondary modes. The secondary modes correspond to the modes with n > N.
Die Hauptmoden umfassen insbesondere mindestens eine Antriebsmode des MEMS- Systems. Bei der Antriebsmode handelt es sich um eine Mode, welche dem Antrieb des MEMS-Systems 1 entspricht, etwa einer hauptsächlich auftretenden Schwingung eines Mikrospiegels oder Drehratensensors. The main modes include in particular at least one drive mode of the MEMS system. The drive mode is a mode that corresponds to the drive of the MEMS system 1, such as a primarily occurring oscillation of a micromirror or rotation rate sensor.
Für den Entwurfsprozess ist die Kenntnis der Winkelfrequenzen sehr wichtig. Sie sind konstante Größen im linearen Bereich des Gerätebetriebs, sie ändern sich jedoch aufgrund geometrischer Nichtlinearitäten, wenn die Schwingungsamplitude der Antriebsmode zunimmt. Eine solche Antriebsmodus ist in MEMS-Drehratensensoren und resonanten MEMS-Mikrospiegeln als Teil ihrer Funktionalität immer vorhanden. Die Winkelfrequenzen hängen also von der Amplitude A der Antriebsmode ab. Knowledge of the angular frequencies is very important for the design process. They are constant quantities in the linear region of device operation, but they change due to geometric nonlinearities as the oscillation amplitude of the drive mode increases. Such a drive mode is always present in MEMS angular rate sensors and resonant MEMS micromirrors as part of their functionality. The angular frequencies therefore depend on the amplitude A of the drive mode.
Die Recheneinrichtung berechnet für jeden Knoten n des FE-Modells eine von den Nebenmoden abhängige erste Kraft Fn auf den Knoten und eine von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängige zweite Kraft Fdn auf den Knoten unter Verwendung der Formfaktoren. For each node n of the FE model, the computing device calculates a first force F n on the node that depends on the secondary modes and a second force F dn on the node that depends on the secondary modes and the drive mode using the form factors.
Die erste Kraft und die zweite Kraft können als Renovierungskräfte bezeichnet werden, da sie die Beiträge sämtlicher Nebenmoden mit einbeziehen und dadurch eine effektive Beschreibung der Kräfte auf die Moden erlauben. The first force and the second force can be called renovation forces because they include the contributions of all secondary modes and thus allow an effective description of the forces on the modes.
Mit den modalen Formfunktionen Sn wird dabei die n-te Renormierungskraft Fn (d.h. die erste Kraft bzgl. Mode n) an jedem Knoten n des FE -Modells unter Verwendung von Standard-Diskretisierungsverfahren für finite Elemente ermittelt. Die n-te Renormierungskraft am Knoten // in der -tcn Raumrichtung ist gegeben durch:
Hier wird die Einsteinsche Summenkonvention verwendet, bei der implizit eine Summe über doppelt vorkommende Indizes gebildet wird. Die Berechnung kann auf der Grundlage von Standard-FE -Verfahren erfolgen, wobei die Element-Formfunktion /V berechnet wird und die Integration des Volumens über die Element-Integrationspunkte erfolgt. Weiter bezeichnet St das Kronecker-Symbol,
bezeichnet die lineare mechanische Modenspannung,
bezeichnet die nichtlineare mechanische Modenspannung und Di ] k i den Materialtensor des durch das FE-Modell beschriebenen linear-elastischen Materials. Using the modal shape functions S n , the n-th renormalization force F n (ie the first force with respect to mode n) is determined at each node n of the FE model using standard discretization methods for finite elements. The n-th renormalization force at the node // in the -tcn spatial direction is given by: Here, the Einstein summation convention is used, in which a sum is implicitly formed over duplicate indices. The calculation can be carried out on the basis of standard FE methods, whereby the element shape function /V is calculated and the integration of the volume is carried out over the element integration points. St also denotes the Kronecker symbol, denotes the linear mechanical mode stress, denotes the nonlinear mechanical mode stress and D i ] k i the material tensor of the linear-elastic material described by the FE model.
Zusätzlich zur n-ten Renormierungskraft (erste Kraft) wird die n-te Renormierungspaar- Kraft Fdn (zweite Kraft bzgl. Mode n) berechnet, die auf den Knoten p in der -tcn Raumrichtung wirkt, gegeben durch
In addition to the n-th renormalization force (first force), the n-th renormalization pair force F dn (second force with respect to mode n) is calculated, which acts on the node p in the -tcn spatial direction, given by
Die Gleichungen (1) und (2) können numerisch berechnet werden, wobei für gegebene modale Formfunktionen Sn nur Konstruktionsschritte sowie Vektor- und Matrixmultiplikationen erforderlich sind. Numerisch rechenintensive Schritte wie eine Matrixinversion sind nicht erforderlich und die Anzahl der Konstruktionsschritte skaliert linear mit der Anzahl der Hauptmoden N. Equations (1) and (2) can be computed numerically, requiring only construction steps and vector and matrix multiplications for given modal shape functions S n . Numerically computationally intensive steps such as matrix inversion are not required and the number of construction steps scales linearly with the number of principal modes N.
Weiter ist die Recheneinrichtung 4 ausgebildet, für jeden Knoten n erste Hilfsmoden, welche der ersten Kraft entsprechen, und zweite Hilfsmoden, welche der zweiten Kraft entsprechen, zu berechnen. Die ersten Hilfsmoden können auch als Renormierungsmoden pn und die zweiten Hilfsmoden können als Renormierungsmodenpaare pdn bezeichnet
werden, wobei sich der Index d auf die Antriebsmode bezieht. Hierzu werden folgende lineare algebraische Gleichungen gelöst, welche von der Steifigkeitsmatrix K und den ersten und zweiten Kräften abhängen: Furthermore, the computing device 4 is designed to calculate first auxiliary modes, which correspond to the first force, and second auxiliary modes, which correspond to the second force, for each node n. The first auxiliary modes can also be referred to as renormalization modes p n and the second auxiliary modes can be referred to as renormalization mode pairs p dn , where the index d refers to the drive mode. For this purpose, the following linear algebraic equations are solved, which depend on the stiffness matrix K and the first and second forces:
Kpn = Fn (3) und Pdn = ^dn- (4) Kp n = F n (3) and Pdn = ^dn- (4)
Die Berechnung kann mit herkömmlichen FE-Lösem ausgeführt werden, um die ersten Hilfsmoden (Renormierungsmoden) pn und die zweiten Hilfsmoden (Renormierungsmodenpaare) pdn zu erhalten. The calculation can be performed with conventional FE solvers to obtain the first auxiliary modes (renormalization modes) p n and the second auxiliary modes (renormalization mode pairs) p dn .
Die Recheneinrichtung 4 berechnet weiter Moden-Kopplungskoeffizienten ancc und adnc unter Verwendung der Formfaktoren Sn, der ersten Kraft Fn und der zweiten Kraft Fdn. Die Moden-Kopplungskoeffizienten ancc und adnc sind dabei Moden- Kopplungskoeffizienten (Drei-Moden-Kopplungskoeffizienten bzw. Drei-Wellen- Kopplungskoeffizienten entsprechend einer effektiven Punktwechselwirkung dreier Moden) und sind durch folgende Formeln gegeben:
und dnc = -Fän fiirn * d * c * n (6) The computing device 4 further calculates mode coupling coefficients a ncc and a dnc using the form factors S n , the first force F n and the second force F dn . The mode coupling coefficients a ncc and a dnc are mode coupling coefficients (three-mode coupling coefficients or three-wave coupling coefficients corresponding to an effective point interaction of three modes) and are given by the following formulas: and dnc = -F än fiirn * d * c * n (6)
Weiter berechnet die Recheneinrichtung 4 für jeden Knoten n einen ersten Energiebeitrag Rd (bzgl. der Antriebsmode) und einen zweiten Energiebeitrag Rn (bzgl. der weiteren Hauptmoden) unter Verwendung der ersten Hilfsmoden pn, der zweiten Hilfsmoden pdn. der Moden-Kopplungskoeffizienten addn. adnm, der Steifigkeitsmatrix K und der Massenmatrix M gemäß folgender Formeln:
und )
The computing device 4 further calculates for each node n a first energy contribution R d (with respect to the drive mode) and a second energy contribution R n (with respect to the other main modes) using the first auxiliary modes p n , the second auxiliary modes p dn , the mode coupling coefficients a ddn , a dnm , the stiffness matrix K and the mass matrix M according to the following formulas: and )
Dabei bezeichnet a>d die Winkelfrequenz der Antriebsmode und o)c die Winkelfrequenz der Hauptmoden, wobei o)d (0), a>c (0) angibt, dass die Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode d vernachlässigt wird bzw. die Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode d gleich Null gesetzt wird. Here, a> d denotes the angular frequency of the drive mode and o) c the angular frequency of the main modes, where o) d (0), a> c (0) indicates that the dependence on the oscillation amplitude A d of the drive mode d is neglected or the oscillation amplitude A d of the drive mode d is set equal to zero.
Die Recheneinrichtung 4 berechnet weiter eine nichtlineare mechanischeThe computing device 4 further calculates a nonlinear mechanical
Modenspannung
unter Verwendung der Formfaktoren Sn gemäß folgender Formel:
Mode voltage using the form factors S n according to the following formula:
Die Recheneinrichtung 4 berechnet modale Kreuz-Duffing-Koeffizienten und den modalen Duffing-Koeffizienten ß unter Verwendung der mechanischen Modenspannung ?7 ’m gemäß folgender Formeln:
und
The computing device 4 calculates modal cross-Duffing coefficients and the modal Duffing coefficient ß using the mechanical mode stress ?7 ' m according to the following formulas: and
Die für die Koeffizienten in den Gleichungen (10a) und (10b) benötigten Größen wurden bereits zur Berechnung der Renormierungskräfte in Gleichung (1) und (2) benötigt. Daher verursacht die Berechnung keinen nennenswerten numerischen Aufwand mehr und skaliert linear mit der Anzahl N der Hauptmoden. The quantities required for the coefficients in equations (10a) and (10b) were already used to calculate the renormalization forces in equations (1) and (2). Therefore, the calculation does not cause any significant numerical effort and scales linearly with the number N of the main modes.
Die Recheneinrichtung 4 ist weiter dazu ausgebildet, unter Verwendung der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags, des zweiten Energiebeitrags, des modalen Duffing-Koeffizienten und der modalen Kreuz-Duffing-Koeffizienten und der Moden-
Kopplungskoeffizienten eine Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz (d.h. eine Abhängigkeit der Winkelfrequenz von der Amplitude der Antriebsmode) zu berechnen, welche von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt. Dies wird im Folgenden genauer beschrieben. The computing device 4 is further designed to use the modal angular frequencies, the first energy contribution, the second energy contribution, the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients and the mode Coupling coefficients are used to calculate a frequency shift of the angular frequency (ie a dependence of the angular frequency on the amplitude of the drive mode) which depends on an amplitude of the drive mode. This is described in more detail below.
Die von der Amplitude der Antriebsmode abhängige Winkelfrequenz auf eine Hauptmode n für n
d. wobei d den Index der Antriebsmode bezeichnet, ist zunächst durch folgende Gleichung gegeben: für n
The angular frequency dependent on the amplitude of the drive mode on a main mode n for n d. where d is the index of the drive mode, is initially given by the following equation: for n
Für die Antriebsmode d ist die Winkelfrequenz durch folgende Gleichung gegeben:
For the drive mode d, the angular frequency is given by the following equation:
Dabei treten die Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode, die von der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode abhängigen modalen Winkelfrequenzen mn(Ad), die Kreuz-Duffing-Koeffizienten
der modale Duffmg-Koeffizient ß, die 3- Moden-Kopphmgskoeffizienten anmi und die dynamischen Übertragungsfunktionen ^dnc nnd cdnc auf. The oscillation amplitude A d of the drive mode, the modal angular frequencies m n (A d ) dependent on the oscillation amplitude A d of the drive mode, the cross-Duffing coefficients the modal coupling coefficient ß, the 3-mode coupling coefficients a nmi and the dynamic transfer functions ^dnc and c dnc .
Die dynamischen Übertragungsfunktionen addc und bddc hängen von den Winkelfrequenzen a>n und dem modalen Gütefaktor Qc der Mode c ab, die im FE-Modell für alle Hauptmoden gegeben sind. The dynamic transfer functions a ddc and b ddc depend on the angular frequencies a> n and the modal quality factor Q c of mode c, which are given in the FE model for all main modes.
Die dynamischen Übertragungsfunktionen sind definiert durch
The dynamic transfer functions are defined by
Die dynamischen Übertragungsfunktionen sind von der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode abhängig, da die Winkelfrequenzen von der Antriebsamplitude abhängen. The dynamic transfer functions depend on the oscillation amplitude A d of the drive mode, since the angular frequencies depend on the drive amplitude.
Jede Winkelfrequenz a>n der n-ten Mode hängt von den Winkelfrequenzen a>m aller anderen Moden im System ab, was aus der Summe Xc=i ■■■ in den obigen Gleichungen (11a), (11b) ersichtlich wird. Each angular frequency a> n of the n-th mode depends on the angular frequencies a> m of all other modes in the system, which is evident from the sum Xc=i ■■■ i n in the above equations (11a), (11b).
Durch Approximieren der dynamischen Übertragungsfunktionen für a>c » | a>d + a>n | bis zur zweiten Ordnung erhält man:
By approximating the dynamic transfer functions for a> c » | a> d + a> n | up to the second order, we obtain:
In der letzten Näherung wird die Abhängigkeit der Frequenzen von der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode vernachlässigt. Die Näherung gilt im Grenzwert a>c » 2ojd. da die dynamischen Übertragungsfunktionen in diesem Grenzwert eine kleine Steigung haben und die Änderungen der Winkelfrequenzen über der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode im Vergleich zu ihren absoluten Werten klein sind. In the last approximation, the dependence of the frequencies on the oscillation amplitude A d of the drive mode is neglected. The approximation is valid in the limit a> c » 2oj d , since the dynamic transfer functions have a small slope in this limit and the changes in the angular frequencies over the oscillation amplitude A d of the drive mode are small compared to their absolute values.
Innerhalb dieser Näherungen ist der geschlossene Ausdruck für die von der Schwingungsamplitude Ad der Antriebsmode abhängige n-te Winkelfrequenz gegeben durch
für n G {1,2, ... N \n d}, mit den von der Antriebsamplitude unabhängigen n-ten Renormierungsenergie (erste Renormierungsenergie für Mode n):
Within these approximations, the closed expression for the n-th angular frequency dependent on the oscillation amplitude A d of the drive mode is given by for n G {1,2, ... N \nd}, with the n-th renormalization energy independent of the drive amplitude (first renormalization energy for mode n):
Ebenso gilt für die Winkelfrequenz der Antriebsmode:
mit der von der Amplitude der Antriebsmode abhängigen Renormierungsenergie der Antriebsmode (zweite Renormierungsenergie):
The same applies to the angular frequency of the drive mode: with the renormalization energy of the driving mode dependent on the amplitude of the driving mode (second renormalization energy):
Die ersten und zweiten Renormierungsenergien wurden bereits gemäß den obigen Formeln (7) und (8) berechnet. Die weiteren für Gleichung (12) benötigten Größen hat die Berechnungseinrichtung 4 ebenfalls bereits berechnet und kann somit die Frequenzverschiebungen der Winkelfrequenzen jn(Ad), jd (Ad) berechnen. The first and second renormalization energies have already been calculated according to the above formulas (7) and (8). The calculation device 4 has also already calculated the other quantities required for equation (12) and can thus calculate the frequency shifts of the angular frequencies j n (A d ), j d (A d ).
Insbesondere wurden die modalen Koeffizienten ß, Vn und adnm für Moden innerhalb der Hauptmodenmenge, d.h. n, m G {1,2, ... , Ai} effizient berechnet und die Summation über Größen, die nicht innerhalb der Hauptmodenmenge liegen, d.h. C>N ■■■ wurde ebenfalls ausgeführt. Schließlich wurde die Lösung für den hochgradig nichtlinearen Fall ermittelt, in dem sowohl die Winkelfrequenzen als auch die dynamischen Übertragungsfunktionen von der Amplitude der Antriebsmode abhängen. In particular, the modal coefficients ß, V n and a dnm for modes within the main mode set, i.e. n, m G {1,2, ... , Ai} were efficiently calculated and the summation over quantities not within the main mode set, i.e. C>N ■■■ was also carried out. Finally, the solution was determined for the highly nonlinear case where both the angular frequencies and the dynamic transfer functions depend on the amplitude of the driving mode.
Weiter kann ein spektral selbstkonsistentes Renormierungsverfahren verwendet werden, um die hochgradig nichtlineare Abhängigkeit der Winkelfrequenzen von der Amplitude der Antriebsmode zu berücksichtigen. Die dynamischen Übertragungsfunktionen addc, Cddc adnc Cdnc hängen den Winkelfrequenzen ab, die wiederum von der Amplitude der Antriebsmode abhängen. Durch die Einführung des renormierten Duffing- Koeffizienten /?Är 4d) und der renormierten Kreuz-Duffing-Koeffizienten l^ r(Ad) in Abhängigkeit von der Amplitude der Antriebsmode, gegeben durch:
wird ein inkrementelles, iteratives Lösungsverfahren implementiert, gemäß
für n d (d.h. für Hauptmoden, welche nicht die Antriebsmode sind) und
für n = d (d.h. für die Antriebsmode). Dabei werden die inkrementellen Antriebsamplitudenschritte Ad j für j G {1,2, ... ,/} mit Ad l = 0, AdJ = Ad verwendet, wobei Ad die Zielamplitude der Berechnung ist, und das Inkrement AA = Adj+1 — Ad . Das Lösungsverfahren der Gleichungen (14) und (15) erfolgt iterativ. Für den Startwert Ad 0 = 0 sind die Winkelfrequenzen a)n(0) für alle Hauptmoden n E {1,2, ... , A} bekannt, aus denen die dynamischen Korrekturfaktoren und schließlich die renormierten Größen in den Gleichungen (12) und (13) ermittelt werden können. Daraus lässt sich dann a)n(Ad x) usw. berechnen. Furthermore, a spectrally self-consistent renormalization procedure can be used to take into account the highly nonlinear dependence of the angular frequencies on the amplitude of the driving mode. The dynamic transfer functions a ddc , C ddc a dnc C dnc depend on the angular frequencies, which in turn depend on the amplitude of the driving mode. By introducing the renormalized Duffing coefficient /? Är 4 d ) and the renormalized cross-Duffing coefficients l^ r (A d ) depending on the amplitude of the driving mode, given by: an incremental, iterative solution procedure is implemented, according to for nd (ie for main modes which are not the driving mode) and for n = d (i.e. for the drive mode). The incremental drive amplitude steps A d j for j G {1,2, ... ,/} with A dl = 0, A dJ = A d are used, where A d is the target amplitude of the calculation, and the increment AA = A dj+1 — A d . The solution procedure of equations (14) and (15) is iterative. For the starting value A d 0 = 0, the angular frequencies a) n (0) for all main modes n E {1,2, ... , A} are known, from which the dynamic correction factors and finally the renormalized quantities in equations (12) and (13) can be determined. From this, a) n (A dx ) etc. can then be calculated.
Das MEMS-System 10 umfasst weiter eine Steuereinrichtung 3, welche eine Komponente 6 des MEMS-Systems 1 unter Verwendung der von der Vorrichtung 2 berechneten Frequenzverschiebungen ansteuert, etwa einen Mikrospiegel oder einen Drehratensensor. The MEMS system 10 further comprises a control device 3, which controls a component 6 of the MEMS system 1 using the frequency shifts calculated by the device 2, such as a micromirror or a rotation rate sensor.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahren zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System 1 auftretenden Winkelfrequenzen. Das Verfahren des insbesondere auf das oben beschriebene MEMS-System 1 anwendbar und kann durch die oben beschriebene Vorrichtung 2 ausgeführt werden. Umgekehrt kann die oben beschriebene Vorrichtung 2 zum Ausführen des nachfolgend beschriebenen Verfahrens ausgebildet sein.
In einem Verfahrensschritt S1 wird das MEMS-System 1 durch ein finite-Elemente (FE)- Modell modelliert, wobei das FE-Modell eine Massenmatrix M und eine Steifigkeitsmatrix K umfasst. Figure 2 shows a flow chart of a method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system 1. The method is particularly applicable to the MEMS system 1 described above and can be carried out by the device 2 described above. Conversely, the device 2 described above can be designed to carry out the method described below. In a method step S1, the MEMS system 1 is modeled by a finite element (FE) model, wherein the FE model comprises a mass matrix M and a stiffness matrix K.
In einem Verfahrensschritt S2 werden unter Verwendung der Massenmatrix Mund der Steifigkeitsmatrix K modale Winkelfrequenzen und Formfaktoren für eine Vielzahl von Hauptmoden des FE-Modells berechnet. Die Gesamtheit der Moden des FE-Modells wird dabei in die Vielzahl von Hauptmoden und in eine Vielzahl von Nebenmoden unterteilt. Die Hauptmoden umfassen eine Antriebsmode des MEMS-Sy stems 1. In a method step S2, modal angular frequencies and form factors for a large number of main modes of the FE model are calculated using the mass matrix M and the stiffness matrix K. The totality of the modes of the FE model is divided into the large number of main modes and a large number of secondary modes. The main modes include a drive mode of the MEMS system 1.
In einem Verfahrensschritt S3 wird für jeden Knoten des FE -Modells unter Verwendung der Formfaktoren eine von den Nebenmoden abhängige erste Kraft auf den Knoten berechnet und es wird eine von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängige zweite Kraft auf den Knoten berechnet. In a method step S3, for each node of the FE model, a first force on the node that depends on the secondary modes is calculated using the form factors, and a second force on the node that depends on the secondary modes and the drive mode is calculated.
In einem Verfahrensschritt S4 werden Moden-Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft berechnet In a method step S4, mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force
In einem Verfahrensschritt S5 werden unter Verwendung der Steifigkeitsmatrix K des FE -Modells erste Hilfsmoden berechnet, welche der ersten Kraft entsprechen. Zweite Hilfsmoden, welche der zweiten Kraft entsprechen, werden unter Verwendung der Steifigkeitsmatrix K des FE-Modells berechnet. In a method step S5, first auxiliary modes, which correspond to the first force, are calculated using the stiffness matrix K of the FE model. Second auxiliary modes, which correspond to the second force, are calculated using the stiffness matrix K of the FE model.
In einem Verfahrensschritt S6 werden ein erster Energiebeitrag und ein zweiter Energiebeitrag unter Verwendung der ersten und zweiten Hilfsmoden und der Moden- Kopplungskoeffizienten berechnet. In a method step S6, a first energy contribution and a second energy contribution are calculated using the first and second auxiliary modes and the mode coupling coefficients.
In einem Verfahrensschritt S7 wird eine nichtlineare mechanische Modenspannung unter Verwendung der Formfaktoren berechnet. In a process step S7, a nonlinear mechanical mode stress is calculated using the form factors.
In einem Verfahrensschritt S8 werden der modale Duffing-Koeffizient und die modalen Kreuz-Duffing-Koeffizienten unter Verwendung der mechanischen Modenspannung berechnet.
In einem Verfahrensschritt S9 werden 3-Moden-Kopplimgskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft berechnet. In a process step S8, the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients are calculated using the mechanical mode stress. In a method step S9, 3-mode coupling coefficients are calculated using the form factors, the first force and the second force.
In einem Verfahrensschritt S10 wird unter Verwendung des modalen Duffing- Koeffizienten und der modalen Kreuz-Duffing -Koeffizienten, der 3-Moden- Kopplungskoeffizienten, der Moden-Kopphingskoeffizienten, der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags eine Frequenzverschiebung einer Winkelfrequenzen berechnet, welche von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt. Die Berechnung kann für alle Hauptmoden durchgeführt werden. In a method step S10, a frequency shift of an angular frequency is calculated using the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients, the 3-mode coupling coefficients, the mode coupling coefficients, the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution, which frequency shift depends on an amplitude of the drive mode. The calculation can be carried out for all main modes.
Zum Berechnen der Kraft wird ein Beitrag der Nebenmoden unter Verwendung des modalen Duffing-Koeffizienten, der modalen Kreuz-Duffing-Koeffizienten, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags berechnet. Ein Beitrag der Hauptmoden wird berechnet, wobei über Beiträge aller Hauptmoden summiert wird. To calculate the force, a contribution from the secondary modes is calculated using the modal Duffing coefficient, the modal cross-Duffing coefficients, the first energy contribution, and the second energy contribution. A contribution from the main modes is calculated by summing over contributions from all main modes.
Weiter kann die Berechnung iterativ erfolgen, wie oben beschrieben. Furthermore, the calculation can be done iteratively, as described above.
Optional kann weiter das MEMS-System 1 unter Verwendung der berechneten Kraft auf die Hauptmoden angesteuert werden.
Optionally, the MEMS system 1 can be controlled using the calculated force on the main modes.
Claims
1. Computerimplementiertes Verfahren zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem mikroelektromechanischen, MEMS,- System (1) auftretenden Winkelfrequenzen, umfassend: 1. Computer-implemented method for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical, MEMS, system (1), comprising:
Modellieren (Sl) des MEMS-Systems (1) durch ein finite-Elemente, FE, -Modell; Modelling (Sl) of the MEMS system (1) by a finite element, FE, model;
Berechnen (S2) von modalen Winkelfrequenzen und Formfaktoren für eine Vielzahl von Hauptmoden des FE-Modells, wobei eine Gesamtheit von Moden des FE -Modells in die Vielzahl von Hauptmoden und in eine Vielzahl von Nebenmoden unterteilt wird, wobei die Hauptmoden eine Antriebsmode des MEMS-Systems (1) umfassen; Calculating (S2) modal angular frequencies and form factors for a plurality of main modes of the FE model, wherein a total of modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and a plurality of secondary modes, wherein the main modes comprise a drive mode of the MEMS system (1);
Berechnen (S3), für jeden Knoten des FE-Modells, einer von den Nebenmoden abhängigen ersten Kraft auf den Knoten und einer von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängigen zweiten Kraft auf den Knoten, unter Verwendung der Formfaktoren; Calculating (S3), for each node of the FE model, a first force on the node dependent on the secondary modes and a second force on the node dependent on the secondary modes and the driving mode, using the form factors;
Berechnen (S4) von ersten Hilfsmoden, welche der ersten Kraft entsprechen, und von zweiten Hilfsmoden, welche der zweiten Kraft entsprechen; Calculating (S4) first auxiliary modes corresponding to the first force and second auxiliary modes corresponding to the second force;
Berechnen (S5) eines ersten Energiebeitrags und eines zweiten Energiebeitrags, unter Verwendung der ersten und zweiten Hilfsmoden; und Calculating (S5) a first energy contribution and a second energy contribution using the first and second auxiliary modes; and
Berechnen (S6) einer Frequenzverschiebung einer der Winkelfrequenzen, wobei die Frequenzverschiebung von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt, unter Verwendung der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags. Calculating (S6) a frequency shift of one of the angular frequencies, the frequency shift depending on an amplitude of the drive mode, using the modal angular frequencies, the first energy contribution and the second energy contribution.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das FE-Modell eine Massenmatrix und eine Steifigkeitsmatrix umfasst; wobei das Berechnen der modalen Winkelfrequenzen und der Formfaktoren für die Hauptmoden des FE-Modells unter Verwendung der Massenmatrix und der
Steifigkeitsmatrix erfolgt; und wobei das Berechnen der ersten Hilfsmoden und der zweiten Hilfsmoden unter Verwendung der Steifigkeitsmatrix des FE-Modells erfolgt. 2. The method of claim 1, wherein the FE model comprises a mass matrix and a stiffness matrix; wherein calculating the modal angular frequencies and the form factors for the main modes of the FE model using the mass matrix and the stiffness matrix; and wherein the calculation of the first auxiliary modes and the second auxiliary modes is carried out using the stiffness matrix of the FE model.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter mit dem Schritt: 3. The method according to claim 1 or 2, further comprising the step:
Berechnen von Moden-Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft; wobei das Berechnen des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags weiter unter Verwendung der Moden-Kopplungskoeffizienten erfolgt; und wobei das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz weiter unter Verwendung der Moden-Kopplungskoeffizienten erfolgt. Calculating mode coupling coefficients using the form factors, the first force and the second force; wherein calculating the first energy contribution and the second energy contribution is further performed using the mode coupling coefficients; and wherein calculating the frequency shift of the angular frequency is further performed using the mode coupling coefficients.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit dem Schritt: 4. Method according to one of the preceding claims, further comprising the step:
Berechnen einer nichtlinearen mechanischen Modenspannung unter Verwendung der Formfaktoren; und Calculating a nonlinear mechanical mode stress using the form factors; and
Berechnen eines modalen Duffing-Koeffizienten und modaler Kreuz-Duffing- Koeffizienten unter Verwendung der mechanischen Modenspannung; wobei das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz weiter unter Verwendung des modalen Duffing-Koeffizienten und der modalen Kreuz- Duffing-Koeffizienten erfolgt. Calculating a modal Duffing coefficient and modal cross-Duffing coefficients using the mechanical mode stress; wherein calculating the frequency shift of the angular frequency is further performed using the modal Duffing coefficient and the modal cross-Duffing coefficients.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, wobei die Moden-Kopplungskoeffizienten, der modalen Duffing-Koeffizient und die modalen Kreuz Duffing-Koeffizienten von der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz abhängen, wobei die Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz von der Amplitude der Antriebsmode abhängt, und wobei die Berechnung der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenzen iterativ erfolgt.
5. Method according to claim 3 and 4, wherein the mode coupling coefficients, the modal Duffing coefficient and the modal cross Duffing coefficients depend on the frequency shift of the angular frequency, wherein the frequency shift of the angular frequency depends on the amplitude of the drive mode, and wherein the calculation of the frequency shift of the angular frequencies is carried out iteratively.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei zum Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz ein Beitrag der Nebenmoden unter Verwendung der modalen Duffing-Koeffizienten, der modalen Kreuz-Duffing- Koeffizienten, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags berechnet wird. 6. The method of claim 4 or 5, wherein for calculating the frequency shift of the angular frequency, a contribution of the secondary modes is calculated using the modal Duffing coefficients, the modal cross-Duffing coefficients, the first energy contribution and the second energy contribution.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zum Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz über die Hauptmoden summiert wird. 7. The method of claim 6, wherein the frequency shift is calculated by summing the angular frequency over the main modes.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit dem Schritt: 8. Method according to one of the preceding claims, further comprising the step:
Berechnen von Moden-Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Formfaktoren, der ersten Kraft und der zweiten Kraft; wobei das Berechnen der Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz weiter unter Verwendung der Moden-Kopplungskoeffizienten erfolgt. Calculating mode coupling coefficients using the form factors, the first force and the second force; wherein calculating the frequency shift of the angular frequency is further performed using the mode coupling coefficients.
9. Vorrichtung (2) zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei einem mikroelektromechanischen, MEMS, -System (1) auftretenden Winkelfrequenzen, mit einer Recheneinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist: das MEMS-System (1) durch ein finite-Elemente, FE, -Modell zu modellieren; modale Winkelfrequenzen und Formfaktoren für eine Vielzahl von Hauptmoden des FE -Modells zu berechnen, wobei eine Gesamtheit von Moden des FE-Modells in die Vielzahl von Hauptmoden und in eine Vielzahl von Nebenmoden unterteilt wird, wobei die Hauptmoden eine Antriebsmode des MEMS-Systems (1) umfassen; für jeden Knoten des FE -Modells eine von den Nebenmoden abhängige erste Kraft auf den Knoten und eine von den Nebenmoden und der Antriebsmode abhängige zweite Kraft auf den Knoten unter Verwendung der Formfaktoren zu berechnen; erste Hilfsmoden, welche der ersten Kraft entsprechen, und zweite Hilfsmoden,
welche der zweiten Kraft entsprechen, zu berechnen; einen ersten Energiebeitrag und einen zweiten Energiebeitrag, unter Verwendung der ersten und zweiten Hilfsmoden zu berechnen; und eine Frequenzverschiebung einer der Winkelfrequenzen zu berechnen, welche von einer Amplitude der Antriebsmode abhängt, unter Verwendung der modalen Winkelfrequenzen, des ersten Energiebeitrags und des zweiten Energiebeitrags. 9. Device (2) for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in a microelectromechanical MEMS system (1), with a computing device (4) which is designed to: model the MEMS system (1) using a finite element FE model; calculate modal angular frequencies and form factors for a plurality of main modes of the FE model, wherein a total of modes of the FE model is divided into the plurality of main modes and a plurality of secondary modes, wherein the main modes comprise a drive mode of the MEMS system (1); calculate for each node of the FE model a first force on the node dependent on the secondary modes and a second force on the node dependent on the secondary modes and the drive mode using the form factors; first auxiliary modes which correspond to the first force and second auxiliary modes, corresponding to the second force; calculating a first energy contribution and a second energy contribution using the first and second auxiliary modes; and calculating a frequency shift of one of the angular frequencies that depends on an amplitude of the drive mode using the modal angular frequencies, the first energy contribution, and the second energy contribution.
10. Mikroelektromechanisches, MEMS, -System (1), mit: einer Vorrichtung (2) zum Berechnen von Frequenzverschiebungen von bei dem MEMS-System (1) auftretenden Winkelfrequenzen; und einer Steuereinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, mindestens eine Komponente des MEMS-Systems (1) unter Verwendung einer von der Vorrichtung (2) berechneten Frequenzverschiebung der Winkelfrequenz anzusteuem.
10. Microelectromechanical MEMS system (1), comprising: a device (2) for calculating frequency shifts of angular frequencies occurring in the MEMS system (1); and a control device (3) which is designed to control at least one component of the MEMS system (1) using a frequency shift of the angular frequency calculated by the device (2).
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