Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5952

Entwicklung von Verfahren zur Erstellung adaptierter Makromodelle für den Einsatz bei der Designoptimierung von Mikrosystemen

Zusammenfassung

Intelligente Mikrosysteme haben in den vergangenen Jahren in vielen Anwendungsfeldern z.B. in der Umwelttechnik oder in der Medizintechnik Einzug gehalten. Die Entwicklung und Produktion solcher Mikrosysteme ist mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da der Markt Systeme mit hoher Qualität jedoch zu günstigen Preisen fordert. Um diesen Forderungen gerecht zu werden ist eine Unterstützung der Systementwicklung durch Simulation erforderlich, um eine aufwendige Prototypenerstellung und die Durchführung von zahlreichen Experimenten zu reduzieren.

Sehr charakteristisch für Mikrosysteme ist das Zusammenspiel unterschiedlicher Phänomene. So vereinigt ein Mikrosystem Komponenten verschiedener physikalischer Domänen, z.B. Komponenten aus der Mikroelektronik und der Mikromechanik. Nachdem die Systemspezifikation festgelegt ist, wird ein erster Systementwurf erstellt. Die Systemkomponenten werden ausgewählt und zahlreiche Systemparameter wie z.B. Geometrieparameter und Materialparameter müssen daraufhin bestimmt werden. Um ein Mikrosystem zu entwerfen, das den Spezifikationen nicht nur genügt, sondern optimale Ergebnisse liefert sind umfangreiche Experimente notwendig. Rechnergestützte Verfahren zur Erstellung eines Systemmodells und zur Optimierung der Designparameter des Systems können schon im Entwicklungsprozeß zur Untersuchung des Systemverhaltens eingesetzt werden und diesen erheblich beschleunigen.

Im Forschungszentrum Karlsruhe laufen im Rahmen des Projektes Mikrosystemtechnik viele Arbeiten zu Mikrostrukturtechniken, Werkstoffentwicklung, Sensor- und Aktorentwicklung, Systemtechniken und Aufbau- und Verbindungstechniken. Einige unterschiedliche Mikrosysteme wurden bereits realisiert, z.B. ein elektrochemisches Mikroanalysesystem. In diesem System sind Mikropumpen als Komponenten eingesetzt, die zum gezielten Transport geringer Mengen an Gasen oder Flüssigkeiten dienen. Die am IAI (Institut für Angewandte Informatik, FZK) durchgeführten Designoptimierungen dieser Mikropumpen helfen, das Verhalten der Pumpen in Abhängigkeit ihres Designs besser zu verstehen und die weitere Entwicklung derselben zu beschleunigen.

Am Beispiel dieser Mikropumpe, die von Mitarbeitern des IMT (Institut für Mikrostrukturtechnik, FZK) entwickelt wurde, wurden am IAI Verfahren zur Modellierung erprobt. Zudem wurden am IAI auch Verfahren zur Designoptimierung erarbeitet und erprobt. Die Designoptimierung stellt besondere Bedingungen an das Rechnermodell des zu simulierenden Systems, die bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen.

Die Werkzeugumgebung SIMOT (SIMulation and Optimization Tool Environment), die die beiden Komponenten "Modellierung” und "Designoptimierung” enthält, wurde hierfür am IAI entwickelt. Zur Zeit sind folgende Tools zur Simulation und zur Designoptimierung enthalten: die kommerziellen Simulationstools ELDO und ANSYS/FLOTRAN und die am IAI entwickelten Optimierungstools GAMA und GADO, die auf genetischen Algorithmen basieren.

Bei der Modellierung kann der Systementwickler unter SIMOT auf zwei Methoden zugreifen. Zum einen auf die Modelladaption, mit der ein Makromodell einer Systemkomponente bzw. des Systems an FEM-Simulationsergebnisse oder an Meßergebnisse angepaßt wird. Dieses Makromodell ist ein strukturtreues Modell und es kann hierbei beispielsweise ein Netzwerkmodell eingesetzt werden. Zum anderen kann der Entwickler auf die Modellierung mit der "Response Surface Methode” zugreifen, bei der ein verhaltensbeschreibendes "black-box”-Modell erzeugt wird. Mit beiden Methoden kann ein Modell einer Systemkomponente erstellt werden, das dann mit den Modellen der anderen Komponenten zu einem Makromodell des Gesamtsystems zusammmengefügt wird.

Die Ergebnisse der mit diesem Modell durchgeführten Designoptimierungen hängen einerseits von der Güte des Modells und andererseits von der geeigneten Vorgabe der Optimierungsziele ab. Der Systementwickler muß sich also hauptsächlich mit den beiden Kriterien Modellgüte und Vorgabe der Optimierungsziele beschäftigen. Das Durchsuchen des Parameterraumes nach besseren Designs wird dann automatisch vorgenommen.

In diesem Gesamtrahmen wurden speziell folgende Arbeiten durchgeführt, die einerseits die Werkzeugentwicklung und andererseits die Anwendung betreffen: Innerhalb der Werkzeugentwicklung wurden Konzepte entwickelt zur Erstellung geeigneter Verhaltensmodelle und die Schnittstellen zwischen dem Schaltkreissimulator ELDO und den FEM-Simulatoren ANSYS/FLOTRAN sowie den Optimierungswerkzeugen GAMA und GADO spezifiziert und implementiert. Im Rahmen der Anwendung erfolgte die Erstellung eines zur Modelladaption gegeigneten Netzwerkmodells der Mikroventile, die Durchführung der Modelladaption, die Erstellung von "black-box”-Modellen der Ventile und der Vergleich dieser Modelle. Das Modell der Mikropumpe wurde weiterentwickelt und Designoptimierungen zur Gewinnung einer Pumpenvariante mit hoher Förderrate wurden durchgeführt.

Development of methods for building adapted macromodels for the application in the designoptimization of microsystems

Abstract

In the last few years intelligent microsystems moved into many application areas. The development and the production of such systems are still very time-consuming and expensive due to the desired quality. The engineer must be supported by simulation and optimization tools to get reliable designs, shorter development cycles and a reduction of the necessary experiments. In many cases the components of a microsystem are descended from various domains like the microelectronics or the micromechanics. The first step during the development of a new system is to specify the system and after that to select the components. The system has to satisfy the specification but beyond that the engineer desires to get a system with an optimal behaviour. Therefore many parameters (geometry, material) have to be determined. Using simulation and optimization tools and methods the behaviour of the system depending on the parameters can be investigated.

At the FZK (Forschungszentrum Karlsruhe) a project named microsystem techniques has been established and the research of new micro structure techniques, materials, sensors and actuators is going on. Some microsystems like an electrochemical analysis system had been realized. In this system four micropumps are integrated to transport small quantities of gases or liquids. At the IAI (Institut für Angewandte Informatik, FZK) the optimization of these thermopneumatic driven micropumps was done to investigate the behaviour depending on the design yielding shorter development times.

At the example of these micropumps being developed at the IMT (Institut für Mikrostrukturtechnik, FZK) some modelling methods are proved. In addition the method for a partial automated design optimization was developed and implemented. The results of the design optimization are on the one hand dependent on the quality of the model but on the other hand on the qualified formulation of the optimization goals. A design optimization makes requirements on the model which will be considered during the modelling. The tool environment SIMOT (SIMulation and Optimization Tool Environment) was developed which consists of some tools for the simulation and some optimization tools. In SIMOT two methods for building a model of the microsystem are integrated: the model adaptation and the building of a ”black-box”-model with the response surface method. With both methods models of system components can be build and the system model which can be composed of them is usable for the design optimization process. The exploration of the search space will then be executed automatically with the optimization tool GADO (Genetic Algorithm for Design Optimization).

This thesis includes the following themes: The concepts for building usable models are described. Both, the interface between the circuit simulator ELDO and the FEM-simulator ANSYS/FLOTRAN as well as the interface between the simulator ELDO and the optimization tools GAMA (Genetic Algorithm for Model Adaptation) and GADO are specified. As an application of SIMOT firstly, a model of the micro valve for the model adaptation was built and secondly, the model adaptation was executed. Also a ”black-box”-model of the valve was built and both modelling methods are compared. The improvement of the model of the micropump was done and with this new model design optimizations were performed to gain designs of the micropump with a higher flow rate.