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6 Elektronik 26 2023 GMM-News GMM-Preis 2023 Thermoelastische Dämpfung in MEMS-Gyroskopen Der GMM-Preis 2023 ging an Daniel Schiwietz für eine Veröffentlichung zur thermoelastischen Dämpfung in kommerziellen MEMS-Gyroskopen Die Verleihung des Preises erfolgte auf dem MikroSystemTechnik Kongress im Maritim Congress Center in Dresden Alljährlich verleiht die GMM den GMM-Literaturpreis für eine hervorragende Veröffentlichung im Bereich der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik Dieses Jahr ging der Preis an Daniel Schiwietz Bild 1 für seine Veröffentlichung »Thermoelastic damping in MEMS gyroscopes at high frequencies« die in der Fachzeitschrift »Microsystems Nanoengineering« des Verlags Springer Nature erschienen ist Der mit 2500 Euro dotierte Preis wurde im Rahmen des MikroSystemTechnik Kongress am 25 Oktober 2023 im Maritim Congress Center in Dresden übergeben Daniel Schiwietz absolvierte sein Bachelorund Masterstudium in Materials Science and Engineering mit Schwerpunkt Finite-Elemente-Simulationen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Als Doktorand der Technischen Universität München betreut von Prof Dr Eva Weig forscht er nun bei Robert Bosch Im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung von Bosch in Renningen beschäftigt er sich in der Abteilung »Advanced Technologies and Micro Systems« mit der Simulation und Optimierung von MEMS-Gyroskopen Die Veröffentlichung die in Zusammenarbeit mit seinem Kollegen und Betreuer Dr Peter Degenfeld-Schonburg entstand zeigt eine effiziente Methode zur Simulation der thermoelastischen Dämpfung TED auf und verifiziert die Ergebnisse mit Messungen über ein breites Spektrum an Frequenzen in kommerziellen MEMS-Gyroskopen Erstmalig wird hierbei die Signifikanz der TED für hochfrequente Schwingungsmoden aufgezeigt Der Einfluss verschiedener Dämpfungsmechanismen MEMS-Drehratensensoren auch bekannt als Gyroskope finden milliardenfach Anwendung in allgegenwärtigen Produkten Sie sind essenzieller Bestandteil von Sicherheitssystemen in der Automobiltechnik sowie der Navigation und Bewegungserkennung in Smart Devices Aufgrund der vielfältigen Umgebungsbedingungen denen die Sensoren im Alltag ausgesetzt sein können muss der Hersteller die Funktionalität der Sensoren auch in Gegenwart diverser externer Störungen sicherstellen Insbesondere in Automobilanwendungen müssen sämtliche Anforderungen über den Temperaturbereich von –40 °Cbis +125 °Cerfüllt werden Um die Reaktion der Sensoren auf die externen Störungen korrekt vorherzusagen und die Sensoren somit effizient auslegen zu können sind unter anderem die mechanischen Güten das heißt die Eigenfrequenz geteilt durch die Dämpfung der mechanischen Schwingungsmoden über große Frequenzbereiche entscheidend Die Veröffentlichung untersucht hierbei den Einfluss der TED die stark temperaturabhängig ist Die TED resultiert aus dem reziproken Effekt zur thermischen Ausdehnung – wenn sich eine Struktur auslenkt bzw deformiert führt dies zu winzigen lokalen Temperaturänderungen Die dadurch entstehenden Temperaturgradienten Bild 2 bewirken einen Wärmestrom Hierbei wird mechanische Energie irreversibel in Wärme umgewandelt und mechanische Schwingungen werden somit gedämpft In der Veröffentlichung wird basierend auf der Finite-Elemente-Methode FEM eine Gleichung hergeleitet mit der sich die TED für mechanische Moden effizienter berechnen lässt als mit den Methoden die in kommerziellen Simulationstools genutzt werden Die Gleichung die in einem selbstgeschriebenen FEM-Code implementiert wurde ermöglicht die TED-Simulation komplexer kommerzieller MEMS-Gyroskope Zur Verifikation wurden Gütemessungen im Hochvakuum wodurch Gasdämpfung vernachlässigbar ist über den anwendungsrelevanten Temperaturbereich durchgeführt Durch den Vergleich von Simulation und Messung konnte gezeigt werden dass die TED im Hochvakuum der dominante Dämpfungsmechanismus ist und zu einer starken Temperaturabhängigkeit der mechanischen Güten führt Anschließend wurden die Simulationen mit Gütemessungen einer Vielzahl von mechanischen Moden über den gesamten Frequenzbereich bis 1 8 MHz bei Raumtemperatur und Betriebsdruck des Sensors verglichen Hierbei wurde ersichtlich dass die mechanischen Güten niederfrequenter Moden unter typischen Betriebsbedingungen durch Gasdämpfung limitiert sind während bei hochfrequenten Moden mit Eigenfrequenzen von mehreren hundert Kilohertz die TED dominiert Die Veröffentlichung gibt erstmals Aufschluss über die Beiträge verschiedener Dämpfungsmechanismen in einem komplexen kommerziellen MEMS-Gyroskop bei verschiedensten Frequenzen ih Bild 1 Daniel Schiwietz ist Preisträger des GMM-Preises 2023 Bild 2 Temperaturänderungen in einem Ausschnitt eines deformierten MEMS-Gyroskops Die Farbcodierung zeigt Temperaturdifferenzen zur Umgebungstemperatur an und reicht von –0 7 °Cblau bis +0 7 °Crot Bild Dan ie l Sch iw ie tz Bild Dan ie l Sch iw ie tz