Nach positiver Absolvierung der Lehrveranstaltung sind Studierende in der Lage...

• das mechanische Verhalten von MEMS/NEMS mittels Kontinuumsmechanik zu modellieren.
• die Annahmen in der linearen Elastizitätstheorie zu benennen und die Grenzen der Gültigkeit derer zu prüfen.
• die Interaktion von MEMS/NEMS mit Fluiden zu beschreiben.
• den piezoelektrischen Effekt zu modellieren.
• die Eigenmoden und Eigenfrequenzen für ausgesuchte Strukturen zu berechnen.
• die Besonderheiten von Mikro- und Nanosystemen im Vergleich zu makroskopischen Systemen herzuleiten.
• die Dynamik von linearen Resonatoren vorherzusagen.
• die Grundzüge der Methode der Finiten Elemente herzuleiten.
• die Funktionsprinzipien von Referenzoszillatoren, Masse- und Fluidsensoren zu erläutern.
• neuartige Konzepte wie Phononische Kristalle oder Quantum MEMS/NEMS zu beurteilen.
• fachspezifische Begriffe zu verwenden und einschlägige wissenschaftliche Veröffentlichungen kritisch zu evaluieren.
• Open-Source-Software zur numerischen Eigenmodenanalyse zu nutzen.

Das Design von Micro- und Nanoelectromechanical Systems (MEMS/NEMS) ist ein hochgradig interdisziplinäres Gebiet, was sich in den Inhalten der Lehrveranstaltung widerspiegelt. Ausgehend von einer Einführung in die Kontinuumsmechanik und die Piezoelektrizität untersuchen wir verschiedene Aspekte der vielfältigen Mechanik grundlegender MEMS/NEMS Strukturen wie Membranen und Balken. Darauf aufbauend betrachten wir die Interaktion von MEMS/NEMS mit ihrer Umgebung, was es uns erlaubt, die herausragende Performance MEMS/NEMS-Sensoren für Massendetektion oder Flüssigkeitssensorik zu verstehen. Ein weiterer wichtiger Schritt für das Verständnis von MEMS/NEMS-Bauteilen ist deren Modellierung mit diskreten Modellen, deren wichtigste Vertreter wir besprechen. Für quantitative Vorhersagen sind oft numerische Methoden notwendig, von denen die Finite-Elemente-Methode (FEM) wohl die bekannteste ist. Wir behandeln die Grundlagen des FEM-Ansatzes und diskutieren dessen Einsatzfelder und Beschränkungen. Zum Abschluss betrachten wir einige Beispiele wie MEMS-Referenzoszillatoren und Flüssigkeitssensoren und werfen einen Blick auf neue Konzepte wie Phononische Kristalle und Quantum MEMS/NEMS. Darüber hinaus werden die Teilnehmer im Rahmen der Vorlesung auch eine aktuelle wissenschaftliche Publikation kritisch diskutieren und Finite-Element-Simulationen in Python implementieren.

• Präsentation und Diskussion der Lerninhalte in Vorlesung
• Selbstständiges Arbeiten mit wissenschaftlichen Veröffentlichungen und deren Diskussion
• Implementierung von Finite-Element-Simulationen in Python

Link zur Vorbesprechung:

Gemeinsame Diskussion der Vorlesungsinhalte.