Модуль MEMS

Программное обеспечение для моделирования микроэлектромеханических систем (MEMS)

Модуль MEMS

Сигнал датчика давления изменяется из-за изменения электрической емкости, вызванного деформацией устройства. Деформация зависит от давления и температуры окружающей среды, используемых материалов и начальных напряжений в материалах.

Моделирование микроэлектромеханических систем

Проектирование и моделирование микроэлектромеханических систем (MEMS) — это уникальная инженерная дисциплина. При конструировании резонаторов, гироскопов, акселерометров и приводов с малыми линейными размерами необходимо учитывать влияние нескольких физических явлений на их работу. Поэтому среда COMSOL Multiphysics идеально подходит для моделирования микроэлектромеханических систем. Для этого в модуле MEMS (Микроэлектромеханические системы) имеются предопределенные пользовательские интерфейсы с соответствующими средствами моделирования, которые называются интерфейсами для физики. Имеются интерфейсы для различных связанных физических явлений, включая взаимодействие электромагнитных полей с устройствами, воздействие тепла на устройства и взаимодействие жидкости с ними. В такую модель можно включать различные факторы демпфирования: демпфирование в тонких газовых пленках, анизотропные коэффициенты потерь в твердых телах и материалах с пьезоэффектом, анкерные потери и термоупругое демпфирование. При упругих колебаниях и волнах идеально согласованные слои (PML) обеспечивают соответствующую современным требованиям степень поглощения выходящей энергии упругого взаимодействия.

Лучшие в своем классе инструменты моделирования пьезоэлектрических и пьезорезистивных эффектов позволяют моделировать любые комбинации композитных пьезо-упруго-диэлектрических материалов. В модуле MEMS имеются средства анализа стационарных и переходных режимов, а также связанного анализа собственных частот, параметрического анализа, анализа квазистатических и частотных характеристик. Можно определять сосредоточенные параметры емкости, полного сопротивления и полной проводимости, а также моделировать подключение к внешним электрическим цепям с использованием списков SPICE. Модуль MEMS, разработанный на основе базовых возможностей COMSOL Multiphysics®, можно использовать для учета влияния практически всех явлений, связанных с механикой в микромасштабе.


Дополнительные изображения с примерами:

  • РЕЗОНАТОРЫ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ: Моделирование микроэлектромеханических резонаторов с электростатическим возбуждением с помощью интерфейса Electromechanics (Электромеханика) модуля MEMS. РЕЗОНАТОРЫ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ: Моделирование микроэлектромеханических резонаторов с электростатическим возбуждением с помощью интерфейса Electromechanics (Электромеханика) модуля MEMS.
  • КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР: Механический отклик кварцевого резонатора с колебаниями сдвига по толщине, а также график, показывающий влияние последовательно подключенного конденсатора на частотную характеристику. КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР: Механический отклик кварцевого резонатора с колебаниями сдвига по толщине, а также график, показывающий влияние последовательно подключенного конденсатора на частотную характеристику.
  • ТЕРМИЧЕСКИЙ ПРИВОД: Вверху показана температура внутри смещенного термического привода с Джоулевым нагревом, а внизу показано распределение плотности тока. ТЕРМИЧЕСКИЙ ПРИВОД: Вверху показана температура внутри смещенного термического привода с Джоулевым нагревом, а внизу показано распределение плотности тока.
  • ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ: Поле напряжений в пьезорезистивном датчике, рассчитанное с использованием встроенного физического интерфейса для физики модуля MEMS  для пьезорезистивных материалов. ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ: Поле напряжений в пьезорезистивном датчике, рассчитанное с использованием встроенного физического интерфейса для физики модуля MEMS для пьезорезистивных материалов.
  • ТЕРМОУПРУГОСТЬ: Термоупругое демпфирование – это важный фактор при проектировании микроэлектромеханических резонаторов. Циклическая деформация резонатора вызывает локальные изменения температуры, а также тепловое расширение материала, проявляющееся в виде демпфирования. ТЕРМОУПРУГОСТЬ: Термоупругое демпфирование – это важный фактор при проектировании микроэлектромеханических резонаторов. Циклическая деформация резонатора вызывает локальные изменения температуры, а также тепловое расширение материала, проявляющееся в виде демпфирования.

Стандартный алгоритм моделирования устройств MEMS

При моделировании устройств MEMS прежде всего в программном обеспечении задают геометрию устройства с помощью встроенных средств моделирования COMSOL или путем импорта модели САПР. При необходимости можно импортировать механические модели из САПР с помощью модуля CAD Import (Импорт данных из CAD) или с помощью одного из продуктов LiveLink™ для САПР. Электронные схемы можно импортировать с помощью модуля ECAD Import (Импорт данных из ECAD). После задания геометрической модели необходимо выбрать соответствующие материалы и добавить подходящий интерфейс для физики. В интерфейсе следует задать начальные и граничные условия. Затем нужно задать сетку и выбрать решатель. Наконец, результаты отображаются, производится их обработка, а затем они экспортируются. Ко всем этим этапам обеспечен доступ через COMSOL Desktop®. Решатели настраиваются автоматически с установками по умолчанию, уже подобранными для каждого конкретного интерфейса. При необходимости опытный пользователь может изменить настройки решателя нижнего уровня.

Кроме того, моделирование MEMS можно интегрировать с Microsoft® Excel®. LiveLink™ for Excel® позволяет производить моделирование из интерфейса Excel®, а также импортировать и экспортировать результаты и документы. Если вы предпочитаете использовать среду со сценариями, LiveLink™ for MATLAB® предлагает набор очень мощных команд, совместимых с MATLAB®, которые доступны при совместной установке COMSOL Multiphysics и MATLAB. Таким образом можно интегрировать модели COMSOL с программами MATLAB. Результаты можно экспортировать из модели COMSOL в среду MATLAB, включая проверку матрицы жесткости и матрицы системы.

Электростатические приводы и электромеханика

При уменьшении размеров устройства роль электростатических сил возрастает. Это часто используется при проектировании MEMS. Типовое применение модуля MEMS в этой области — это микроэлектромеханические резонаторы с электростатическим возбуждением, работающие при приложении постоянного напряжения смещения. В модуле MEMS имеется специализированный интерфейс для физики для электромеханики, который в случае с резонаторами MEMS используется для расчета сдвига резонансной частоты при изменении постоянного напряжения смещения, причем частота уменьшается при повышении приложенного напряжения из-за уменьшения жесткости электромеханической системы. Из-за малых размеров устройства резонансная частота находится в мегагерцовом диапазоне даже для простой изгибной моды колебаний. Кроме того, увеличение роли электромагнитных сил при уменьшении размеров позволяет создать эффективный емкостной привод, который невозможно получить при обычных размерах привода. Библиотека моделей, поставляемая вместе с модулем MEMS, содержит подробные обучающие курсы с пошаговыми инструкциями по микроэлектромеханическим резонаторам с электростатическим возбуждением. Кроме того, можно использовать интерфейс Electromechanics (Электромеханика) для учета влияния изотропной электрострикции.

Пьезоэлектрические устройства

Роль пьезоэлектрических сил также возрастает при уменьшении размеров устройств. Кроме того, пьезоэлектрические датчики и приводы обычно имеют линейные характеристики, причем для работы им не требуется постоянный ток. Среди производимых сейчас микроэлектромеханических устройств наиболее массовыми являются кварцевые эталоны частоты, которых выпускается более 1 миллиарда штук в год. Физические интерфейсы модуля MEMS идеально подходят для моделирования кварцевых резонаторов, а также многих других пьезоэлектрических устройств.

В одном из учебных курсов, поставляемых вместе с модулем MEMS, показан механический отклик кварцевого резонатора, в котором возбуждаются колебания сдвига по толщине, и к которому последовательно подключен конденсатор, а также влияние этого конденсатора на эту частотную характеристику. Последовательно подключенный конденсатор часто используется для подстройки или сдвига резонансной частоты кварцевых резонаторов, и модуль MEMS позволяет комбинировать двумерные и трехмерные модели со схемами SPICE для таких комбинированных вариантов моделирования.

Термические приводы и тепловые напряжения

При уменьшении размеров возрастает роль тепловых сил по сравнению с силами инерции. Это обеспечивает достаточное высокое быстродействие микроскопических термоприводов для применения в микромасштабе, однако термические приводы обычно медленнее емкостных и пьезоэлектрических приводов. Термические приводы легко интегрируются с полупроводниковыми приборами, но обычно они потребляют намного больше энергии, чем электростатические и пьезоэлектрические устройства аналогичного назначения. Модуль MEMS можно использовать для моделирования Джоулева нагрева и возникновения тепловых напряжений, включая детали распределения потерь на сопротивление. Тепловые эффекты также играют важную роль при производстве многих промышленных микроэлектромеханических систем, поскольку термические напряжения в осажденных тонких пленках играют большую роль в различных приложениях. В модуле MEMS имеются специальные физические интерфейсы для расчета тепловых напряжений с расширенными возможностями обработки и визуализации выходных данных, включая поля напряжений и деформаций, основные напряжения и деформации, действующие значения напряжений, поля смещений и многое другое.

Гибкая открытая архитектура

Проектное решение COMSOL уделяет основное внимание физическим принципам, предоставляя уравнения, решенные по всем параметрам, а также обеспечивая полный доступ к базовой системе уравнений. Кроме того, это решение чрезвычайно гибкое, оно позволяет пользователю добавлять в систему собственные уравнения и выражения. Например, для моделирования Джоулева нагрева устройства, упругие свойства которого зависят от температуры, достаточно просто ввести коэффициенты упругости в виде функции от температуры, при этом не требуется составлять сценарии или писать программный код. Когда система COMSOL компилирует эти уравнения, сложные связи, создаваемые пользовательскими уравнениями, автоматически включаются в систему уравнений. Затем эти уравнения решаются методом конечных элементов с использованием ряда решателей промышленного класса. После получения решения можно использовать различные средства обработки полученных данных. Предварительно заданные графики строятся автоматически для отображения характеристик устройства. Среда COMSOL обладает достаточной гибкостью для вычисления широкого диапазона физических параметров, включающих предварительно заданные значения, такие как температура, электрическое поле или тензор напряжений (с помощью простого в использовании меню), а также произвольные выражения пользователя.

Взаимодействие устройства с жидкостью (FSI) и демпфирование в тонких пленках

Микрогидродинамические устройства (MEMS, содержащие жидкости), находят все более широкое применение. В среде COMSOL имеется отдельный модуль Microfluidics (Микрогидродинамика), специально предназначенный для анализа таких применений, однако модуль MEMS (Микроэлектромеханические системы) также содержит значительное количество микрогидродинамических функций для моделирования взаимодействия устройств MEMS с жидкостями. Мультифизический интерфейс взаимодействия устройства с жидкостью (FSI) содержит элементы гидродинамики и механики твердого тела, что позволяет моделировать взаимодействие между жидкостью и твердотельным устройством. Пользовательские интерфейсы Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Laminar Flow (Ламинарный поток) позволяют моделировать твердые тела и жидкости, соответственно. Взаимодействие устройства с жидкостью на границах раздела жидкости и твердого тела может включать давление жидкости и вязкие силы, а также передачу момента от твердого тела жидкости, то есть наблюдается двустороннее взаимодействие между устройством и жидкостью. Для моделирования взаимодействия устройства и жидкости применяется метод, называемый произвольным Лагранж-Эйлеровым поведением (ALE).

Демпфирующие силы, возникающие при взаимодействии устройства с жидкостью, часто играют существенную роль в микроэлектромеханических устройствах, что нередко приводит к необходимости герметизации устройства в вакууме. В модуле MEMS имеются специализированные физические интерфейсы для анализа демпфирования в тонких пленках. В них на основе решения уравнения Рейнольдса определяются скорость и давление жидкости и силы, действующие на прилегающие поверхности. Эти интерфейсы можно использовать для моделирования демпфирования в тонкой пленке при сжатии и скольжении в широком диапазоне давлений (также можно учесть влияние разрежения). Демпфирование в тонкой пленке может рассматриваться на произвольных поверхностях в трехмерном пространстве, его можно непосредственно связать с трехмерными моделями твердых тел.

Пьезорезистивные датчики

Пьезорезистивный эффект – это изменение электрической проводимости материала при создании в нем механического напряжения. Простота интеграции небольших пьезорезисторов со стандартными полупроводниковыми приборами и практически линейная характеристика датчика делают данную технологию особенно перспективной при производстве датчиков давления. Для моделирования пьезорезистивных датчиков в модуле MEMS предоставляется несколько специализированных физических интерфейсов для моделирования пьезорезистивного эффекта в твердых телах и оболочках. При совместном использовании модуля MEMS и модуля Structural Mechanics (Механика конструкций) доступен физический интерфейс пьезорезистивного эффекта для тонких оболочек.

Механика твердого тела

Интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) используется для анализа напряжений, а также для расчета смещений с использованием линейной и нелинейной механики твердого тела. В модуле MEMS возможен анализ моделей линейно-упругих и линейно-вязкоупругих материалов, его можно дополнить модулем Nonlinear Structural Materials (Нелинейные конструкционные материалы), что дает возможность анализировать модели нелинейных материалов. Можно расширить модели материалов, добавляя характеристики теплового расширения, демпфирования, а также начальные напряжения и деформации. Кроме того, допускается наличие нескольких источников начальных деформаций, что дает возможность учитывать влияние произвольных неупругих деформаций от нескольких физических источников. Описание упругих материалов в модуле включает изотропные, ортотропные и полностью анизотропные материалы.

Термоупругость

Интерфейс «Термоупругость» предназначен для моделирования линейных термоупругих материалов. Он используется для решения задач расчета смещения структуры и температурных отклонений, а также теплопередачи, вызванной термоупругим взаимодействием. Термоупругость важно учитывать при моделировании микроэлектромеханических резонаторов, имеющих высокую добротность.

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Thermal Initial Stresses in a Layered Plate

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Surface Acoustic Wave Gas Sensor

Pull-in Voltage for a Biased Resonator-3D

Microresistor Beam

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator

Composite Piezoelectric Transducer

Capacitive Pressure Sensor

Electrostatically Actuated Cantilever

Prestressed Micromirror