Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5870

Kurzfassung

Am Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe wird ein Sensor bestehend aus mikrostrukturierten Membranen entwickelt, der es erlaubt, beispielsweise die Temperatur, die Dehnung oder die Dichte eines umgebenden flüssigen Mediums berührungslos, d.h. ohne Drahtverbindung, mittels Ultraschall zu messen. Im vorliegenden Bericht wird das Schwingungsverhalten des Sensors mit Hilfe der Methode der finiten Elemente (FE) analysiert.

Nach umfangreichen Voruntersuchungen wird mit der sich daraus ergebenden FE-Modellierung zunächst die Existenz und die Anregbarkeit der für die Messung benötigten Eigenschwingungsmode nachgewiesen. Anschließend wird durch Parameterstudien die Abhängigkeit der zugehörigen Eigenfrequenz von Material- und Geometrieparametern untersucht. Hieraus ergibt sich, daß die analytische Beziehung, die zur Auswertung der experimentellen Messungen herangezogen wird, nur für bestimmte Materialkombinationen aussagekräftig ist.

Finite Element Investigations of the Dynamical Properties of Microstructured Membranes

Abstract

A sensor consisting of microstructured membranes which is a tool for measuring quantities such as temperature, strain, or density of a surrounding fluid medium by ultrasound, i.e. without any contant (e.g. by a wire connection), is in a stage of development at the Institute for Microstructure Technology at the Karlsruhe Research Center. In this report we study the dynamical properties of the sensor by means of the finite element method.

First, the existence of the eigenmode, which is needed for the measurements, and the possibility to excite it, is proved with suitable chosen finite element models resulting from extensive preliminary examinations. Then the dependence of the corresponding eigenfrequency on material- and geometry parameters is examined by variation of these parameters. Hence it follows, that the analytical formula, which is used to evaluate the experimental measurements, is valid for certain material combinations only.