Mikroelektromechanische Systeme

Christina Lienstromberg von der Leibniz Universität in Hannover war im Februar 2018 zu Gast an unserer Fakultät. In einem Vortrag stellte sie mathematische Forschungsergebnisse zu Modellen für Mikrosysteme (auch mikroelektromechanische Systemen bzw. MEMS) vor. Christina hat in Hannover Mathematik studiert und auch promoviert und ist dort als Postdoc tätig.

MEMS ist eine Technologie mikroskopisch kleiner Apparate mit beweglichen Teilen. Die Geräte bestehen aus Bauteilen mit einer Größe zwischen 1 und 100 Mikrometern (d.h. 0,001 bis 0,1 mm), und MEMS-Bauteile haben in der Regel eine Größe von 20 Mikrometern bis zu einem Millimeter (d.h. 0,02 bis 1,0 mm). Sie bestehen in der Regel aus einer Zentraleinheit, die Daten verarbeitet - dem Mikroprozessor - und mehreren Komponenten, die mit der Umgebung interagieren, wie beispielsweise winzigen Sensoren. Aufgrund des großen Flächen-Volumen-Verhältnisses von MEMS sind die Kräfte, die durch den umgebenden Elektromagnetismus (z.B. elektrostatische Aufladungen und magnetische Momente) und die Fluiddynamik (z.B. Oberflächenspannung und Viskosität) hervorgerufen werden, wichtiger als bei größeren mechanischen Geräten.

MEMS befinden sich unter anderem in Airbags und Laptops und beobachten die Beschleunigung, um entsprechend reagieren zu können. So stellen sie fest, dass sich ein Computer im freien Fall befindet und setzen während des Sturzes den Lesekopf der Festplatte in Parkposition. Oder sie dienen der mechanische Bildstabilisierung in Fotoapparaten. Interessante Weiterentwicklungen werden unter dem Namen Mikrofluidik zusammengefaßt und sind schon jetzt im Einsatz in Tintenstrahl-Druckköpfen oder Lab-on-a-Chip-Systemen.

Die mathematischen Modelle, die Christina und ihre Kollegen betrachten, sind zweidimensionale Schnitte durch ein Gebiet, das eine feste Bodenplatte hat und eine bewegliche Membran darüber, die auf beiden Seiten fest eingespannt ist, aber auf ein elektrisches Potential durch Bewegung reagiert. Viel Information über das System wird in der Durchlässigkeit der Membran ausgedrückt, auch Permittivitätsprofil genannt. Unterschiedliche Systeme von Differentialgleichungen dienen als Modelle, je nach physikalischer Herleitung. In jedem Fall ist ein entweder semi- oder quasilineares hyperbolisches oder parabolisches Evolutionsproblem für die Auslenkung einer elastischen Membran mit einem elliptischen Problem gekoppelt, das das elektrostatische Potential im Bereich zwischen der elastischen Membran und der starren Grundplatte bestimmt.

Von besonderem Interesse bei allen Modellen ist der Einfluss verschiedener Klassen von Permittivitätsprofilen. Außerdem ist das mögliche Auftreten von Singularitäten nach endlicher Zeit spannend, wenn sich z.B. die Membran und die Bodenplatte treffen.

Es zeigt sich, dass das System für alle Werte der angelegten Spannung räumlich und zeitlich wohlgestellt ist. Darüber hinaus wird überprüft, dass die Lösung auch global in der Zeit existiert, vorausgesetzt, dass die angelegte Spannung einen bestimmten kritischen Wert nicht überschreitet.

Literatur und weiterführende Informationen J. Escher, P. Laurençot, C. Walker: A parabolic free boundary problem modeling electrostatic MEMS, Arch. Rational Mech. Anal., 211,389-417, 2014. C. Lienstromberg, J. Escher: A survey on second-order free boundary value problems modelling MEMS with general permittivity profile, Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. S 10, no. 4, 745–771, 2017. C. Lienstromberg, J. Escher: Finite-time singularities of solutions to microelectromechanical systems with general permittivity, Ann. Mat. Pura Appl. (4) 195 (2016), no. 6, 1961–1976. J.A. Pelesko, D.H. Bernstein: Modeling MEMS and NEMS, CRC Press Inc, ISBN 1584883065, 2002. X. Zhao: Modeling and Simulation of MEMS Devices, PhD-Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, 2004.