Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) auf Basis des piezoelektrischen Effekts finden vielfältige Anwendungen in Sensorik und Aktorik, beispielsweise als Mikrofone oder Lautsprecher in Tablets oder Smartphones. Die Entwicklung solcher komplexen Systeme erfordert jedoch ein genaues Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Effekte. Daher stellt die Modellierung und numerische Simulation auf Basis der Finiten Elemente Methode ein wichtiges Werkzeug im Entwicklungsprozess dar. Sie erlaubt beispielsweise die Vorausberechnung des von verschiedenen Aktuatordesigns generierten Schallfeldes.
Durch die geringen Abmessungen der MEMS Strukturen hat die umgebende Luft erheblichen Einfluss auf deren Schwingungsverhalten. Durch die Modellierung des Fluids mit einer linearisierten Version der Navier- Stokes Gleichungen wird eine präzise Beschreibung der durch viskose und thermische Effekte bedingten Verluste möglich. Die Fluid-Struktur Interaktion wird in Form einer direkten Kopplung berücksichtigt. Diese wird über nicht-konforme Gitter verwirklicht, wodurch eine unabhängige Vernetzung von Struktur- und Fluidgebiet ermöglicht wird. Piezoelektrische Materialien zeigen ein ausgeprägt nicht-lineares hysteretisches Verhalten. Speziell wenn das Potential des piezoelektrischen Materials voll ausgenutzt werden soll, also beim Betrieb mit hohen Anregungen, ist das nicht-lineare Verhalten relevant. Die derzeit in der industriellen Praxis ausschließlich eingesetzten linearen piezoelektrischen Materialmodelle (Voigt’sche linearisierte piezoelektrische Theorie) können diese nicht abbilden. Daher soll ein makroskopisches, nicht-lineares Hysteresemodell für piezoelektrische Materialien entwickelt werden. Das nichtlineare Problem soll mittels eines mutliharmonischen Ansatzes im Frequenzbereich (Harmonic Balance Method) gelöst werden. Dabei wird die erwartete periodische Lösung als Überlagerung mehrerer Harmonischer angesetzt, und die nichtlineare Kopplung zwischen ihnen berücksichtigt. Dies stellt eine Erweiterung der linearen Frequenzbereichsanalyse dar, welche in der Elektromagnetik und Fluidmechanik erfolgreich angewandt wird. Im Bereich der Piezoelektrik und der gekoppelten Probleme wurde dieser Ansatz jedoch noch nie verfolgt.
Initiator des Projekts ist die Forschungsgruppe „Messtechnik und Aktorik“ unter der Leitung von Prof. Manfred Kaltenbacher am Institut für Mechanik und Mechatronik an der TU Wien. Die Forschungsgruppe beschäftigt sich intensiv mit der Modellierung und Simulation von MEMS Systemen. Die Firma USound mit ihrer hervorragenden Expertise im Piezo MEMS Bereich bei Lautsprechern und einem ausgezeichnet besetzten Entwicklungsteam stellt einen idealen Projektpartner da. Das Unternehmen beschäftigt sich mit der Entwicklung von innovativen, hochwertigen, MEMS basierten, piezoelektrischen Audiokomponenten, im Speziellen mit miniaturisierten Lautsprechern für mobile elektronische Geräte wie Tablets, Smartphones oder Audio Ohr- Stöpsel (engl. ear plugs). Hier finden die im Bereich der Grundlagenforschung entwickelten Modellierungs- und Simulationsmethoden, welche im Rahmen des Projekts auch experimentell validiert werden, vielfältige Anwendungen.
