Семейство продуктов COMSOL®

ПРОДУКТ:Модуль «MEMS»

Моделируйте микроэлектромеханические системы с помощью модуля MEMS

Модуль «MEMS»

Распределение полных перемещений в электростатическом датчике давления, а также зависимость ёмкости устройства от приложенного давления, с учетом термических напряжений при исготовлении и условий окружающей среды.

Моделирование микроэлектромеханических MEMS систем

Проектирование и моделирование MEMS — микроэлектромеханических систем — является уникальной инженерной дисциплиной. При конструировании миниатюрных резонаторов, гироскопов, акселерометров и приводов необходимо учитывать совокупное влияние нескольких физических явлений на их работу — следовательно среда COMSOL Multiphysics идеально подходит для таких приложений. Все ключевые инструменты содержатся в модуле MEMS. Он включает набор специализированных физических интерфейсов, позволяющих описывать электростатическую и электрическую актуацию, взаимодействие текущей среды и твердотельных элементов, электротермомеханические эффекты и т.п. Доступен учет различных факторов демпфирования: изотропные и анизотропные гистерезисные потери и релеевское демпфирование в твердых телах и пьезокристаллах, термоупругое демпфирование, потери, обусловленные трение с тонкими газовыми пленками, а также анкерные потери. Стоит отметить, что для эффективного расчета упругих колебаний и волн доступны специальные условия для описания открытых границ, в т.ч. PML — идеально согласованные слои.

Лучшие в своем классе инструменты для моделирования пьезоэлектрических и пьезорезистивных эффектов позволяют моделировать любые комбинации и постановки композитных пьезо-упруго-диэлектрических материалов. Кроме того, распределенные устройства можно подключать к сосредоточенным электрическим цепям.

В модуле MEMS имеются средства анализа стационарных и нестационарных режимов работы, а также полный набор инструментов для вибрационного анализа: для проведения исследований на собственные частоты, в частотной области, на основе техник модальной суперпозиции, в т.ч. для недетерминированных нагрузок. На выходе, помимо распределения полей, будут автоматически доступны данные о сосредоточенных параметрах ёмкости, адмиттанса, сопротивления или индуктивности.

Таким образом, расширение базовой платформы COMSOL Multiphysics® за счет модуля MEMS, позволяет моделировать практически всех явления, связанные с механикой на микро- и нано- масштабах.


Дополнительные иллюстрации

КРЕМНИЕВЫЙ MEMS-РЕЗОНАТОР: Моделирование электростатического возбуждения таких устройств возможно с помощью интерфейса Electromechanics модуля MEMS. КРЕМНИЕВЫЙ MEMS-РЕЗОНАТОР: Моделирование электростатического возбуждения таких устройств возможно с помощью интерфейса Electromechanics модуля MEMS.
КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР: Механический отклик кварцевого пьезорезонатора, работающего на сдвиговой моде, в т.ч. в зависимости от шунтирующей ёмкости для подстройки частотной характеристики устройства. КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР: Механический отклик кварцевого пьезорезонатора, работающего на сдвиговой моде, в т.ч. в зависимости от шунтирующей ёмкости для подстройки частотной характеристики устройства.
ТЕРМОАКТУАТОР: Распределение температуры в деформированном приводе вследствие джоулева нагрева (сверху), распределение плотности тока в устройстве (снизу). ТЕРМОАКТУАТОР: Распределение температуры в деформированном приводе вследствие джоулева нагрева (сверху), распределение плотности тока в устройстве (снизу).
ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК: Механические напряжения в пьезорезистивном датчике могут быть смоделированы с помощью интерфейса Piezoresistivity модуля MEMS. ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК: Механические напряжения в пьезорезистивном датчике могут быть смоделированы с помощью интерфейса Piezoresistivity модуля MEMS.
MEMS-КАНТИЛЕВЕР: 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. MEMS-КАНТИЛЕВЕР: 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 MEMS устройств в COMSOL Multiphysics®

На первом этапе при моделировании устройств MEMS в программном обеспечении COMSOL отрисовывают геометрию устройства с помощью встроенного геометрического ядра или путем импорта модели CAD. При необходимости можно импортировать полнотельные механические модели из сторонних CAD-пакетов с помощью модуля CAD-импорт или с помощью одного из группы продуктов LiveLink™ для CAD. Топологии печатных плат можно импортировать с помощью модуля ECAD-импорт. После создания геометрической модели следует выбрать соответствующие материалы и добавить подходящий физический интерфейс, в котором указываются релевантные начальные и граничные условия. Затем генерируется сетка и настраивается исследование. Решатели настраиваются автоматически с установками по умолчанию, уже подобранными для каждого конкретного интерфейса, а при необходимости опытный пользователь может изменить настройки решателя нижнего уровня. По окончанию расчета, результаты выводятся в графическом окне, производится их обработка, при необходимости их можно экспортировать. Ко всем этим этапам обеспечен удобный доступ через UI COMSOL Desktop®.

Кроме того, MEMS-моделирование можно интегрировать с Microsoft® Excel®. LiveLink™ for Excel® позволяет производить моделирование из под интерфейса Excel®, а также импортировать и экспортировать результаты и свойства материалов. Если вы предпочитаете использовать среду с возможностью написания скриптов, то 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, в т.ч. для оценки матрицы жесткости и других системных матриц решаемых уравнений.

Кремниевые микрорезонаторы и актуаторы

При уменьшении размеров устройства роль электростатических сил возрастает, что требует учета при MEMS-проектировании. Типовое применение модуля MEMS в этой области — это микроэлектромеханические, обычно кремниевые, резонаторы с электростатическим возбуждением, работающие при приложении постоянного DC напряжения. В модуле MEMS для этих целей доступен специализированный физический интерфейс Electromechanics, который в случае расчета MEMS-резонаторов используется для анализа резонансных частот, которые из-за малых размеров даже для простой изгибной моды колебаний находятся в мегагерцовом диапазоне, исследования сдвига резонансной частоты при изменении постоянного DC напряжения вследствие уменьшения жесткости электромеханической системы, а также для детальной оценки влияния электромагнитных сил на микромасштабах. Кроме того, можно использовать интерфейс Electromechanics для моделирования электрострикции.

Библиотека моделей и приложений, поставляемая вместе с модулем MEMS, содержит наглядные учебные модели микроэлектромеханических резонаторов и актуаторов с электростатическим возбуждением с пошаговыми инструкциями по их сборке.

Пьезоэлектрические устройства

Роль пьезоэлектрических сил также возрастает при уменьшении размеров устройств. Кроме того, пьезоэлектрические датчики и приводы обычно имеют линейные характеристики, и для работы им не требуется DC-актуация. Среди производимых сейчас MEMS-устройств наиболее массовыми являются кварцевые эталоны частоты с выпуском более 1 миллиарда штук в год. Физический интерфейс Piezoelectricity модуля MEMS идеально подходит для моделирования кварцевых резонаторов, а также любых других пьезоэлектрических устройств.

В качестве примера можно привести модель расчета отклика кварцевого пьезорезонатора на сдвиговой моде. К системе подключен шунтирующий конденсатор как сосредоточенный SPICE-элемент. На выходе для анализа доступны частотные характеристики и их зависимость от изменяемой ёмкости.

Термические напряжения и термоактуаторы

При уменьшении размеров возрастает роль термических эффектов по сравнению с силами инерции. Это обеспечивает достаточное высокое быстродействие микроскопических термоактуаторов, хотя обычно они все равно медленнее ёмкостных и пьезоэлектрических приводов. Термоприводы легко интегрируются с полупроводниковыми приборами, хотя обычно потребляют намного больше энергии, чем электростатические и пьезоэлектрические устройства аналогичного назначения. Тепловые эффекты и термические напряжения также играют важную роль при производстве многих промышленных микроэлектромеханических систем, в т.ч. при корпусировании и напылении тонких пленок. Моделирование электрических токов, джоулева нагрева и термических напряжений также актуально для систем микрорезисторов и других проводящих и сопряженных с ними компонентов печатных плат.

Для всех указанных задач можно использовать интерфейс Joule Heating and Thermal Expansion модуля MEMS. На выходе доступны расширенные возможности обработки и визуализации выходных данных, включая поля напряжений и деформаций, главные напряжения и деформации, инженерные напряжения по Мизесу, поля механических перемещений и т.п.

Гибкая архитектура и открытый интерфейс

COMSOL позволяет четко отслеживать непосредственно решаемые уравнения в каждом физическом интерфейсе. Кроме того, всегда доступна возможность модификации исходных выражений и уравнений, а также добавления своих собственных. Так, при моделировании джоулева нагрева устройства, упругие свойства которого зависят от температуры, достаточно просто задать элементы матрицы упругости как функции от температуры, и при этом не требуется создавать какие-либо макросы или использовать другие элементы программирования. Когда система COMSOL компилирует уравнения, сложные связи, создаваемые пользовательскими уравнениями, автоматически включаются в общую систему уравнений. Затем эти уравнения решаются методом конечных элементов с использованием современных индустриальных решателей.

После получения решения можно использовать разнообразные средства обработки полученных данных, в т.ч. предустановленные графики и операция расчета числовых значений. С помощью простого в использовании меню среда COMSOL обладает достаточной гибкостью для графического и числового представления широкого диапазона физических переменных, включая базовые, такие как температура, электрическое поле или тензор напряжений, а также любые произвольные выражения пользователя.

Взаимодействие устройств в текущей средой (FSI) и демпфирование в тонких газовых пленках

Микрогидродинамические MEMS устройства находят все более широкое применение. В среде COMSOL имеется отдельный модуль Микрогидродинамика, предназначенный для анализа именно таких систем, однако модуль MEMS также содержит значительное количество микрогидродинамических инструментов и настроек для моделирования взаимодействия MEMS0-устройств с жидкостями и газами. Мультифизический интерфейс Fluid-Structure Interaction позволяет сопрячь в расчете элементы гидродинамики и механики твердого тела. Физические интерфейсы Solid Mechanics и Laminar Flow позволяют моделировать деформации в твердых телах и потоки в флюиде, соответственно. Мультифизическая двусторонняя FSI-связка на границах раздела жидкости и твердого тела позволяет учитывать давление жидкости и вязкие силы, а также передачу момента от твердого тела жидкости. Для моделирования FSI-взаимодействия применяется ALE-методика.

Демпфирующие силы, возникающие при взаимодействии устройства с жидкостью, часто играют существенную роль в микроэлектромеханических устройствах, что нередко приводит к необходимости герметизации и корпусирования устройства. В модуле MEMS имеются специализированные физические интерфейсы типа Thin Film Flow. В них на основе решения уравнения Рейнольдса определяются скорость и давление жидкости, а также силы, действующие на прилегающие поверхности. Указанные интерфейсы можно использовать для моделирования демпфирования в тонких пленках газа при сжатии и трении в широком диапазоне давлений, в т.ч. для учёта влияния разрежения. Демпфирование в тонких пленках можно рассматривать на произвольных поверхностях в 3D, при этом его можно явно связать с трехмерными твердыми телами.

Пьезорезистивные датчики

Пьезорезистивный эффект – это изменение электропроводности материала при создании в нем механических напряжений. Простота интеграции небольших пьезорезисторов со стандартными полупроводниковыми приборами и практически линейная характеристика датчиков на их основе 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 Механика конструкций доступен физический интерфейс пьезорезистивного эффекта для тонких оболочек.

Механика твердого тела

Модуль MEMS позволяет проводить прочностной и вибрационный анализ линейно-упругих и линейно-вязкоупругих материалов, в т.ч. ортотропных и анизотропных. Его можно дополнить модулем Нелинейные материалы, что дает возможность анализировать модели нелинейных механических материалов. В расчете также можно учитывать термические напряжения, демпфирование, а также начальные напряжения и деформации. При этом допускается наличие нескольких источников начальных деформаций, что дает возможность учитывать влияние произвольных неупругих деформаций от нескольких физических источников.

Для указанных задач используется интерфейс Solid Mechanics.

Термоупругое демпфирование

Термоупругое демпфирование важно учитывать при моделировании высокодобротных микроэлектромеханических резонаторов. Циклическая деформация резонатора вызывает локальные изменения температуры, а также тепловое расширение материала, проявляющееся в виде демпфирования. Для этих задач в модуле MEMS доступен физический интерфейс Thermoelasticity.

Модуль «MEMS»

Ключевые особенности

  • Анализ устойчивости
  • Упругие колебания волны
  • Гидродинамика тонких пленок
  • Электростатика
  • Электростатическая актуация
  • FSI: Взаимодействие текучей среды и твердых тел
  • Джоулев нагрев
  • Большие деформации
  • Учет силы тяжести
  • Анализ собственных мод и частот
  • Анализ механических контактов
  • Идеально согласованные слои PML
  • Пьезоэлектрический эффект
  • Пьезорезистивный эффект
  • Преднапряжение конструкций
  • Механика твердого тела
  • Учёт влияния центробежной, кориолисовой и эйлеровой сил
  • Тепловые напряжения
  • Термоупругое демпфирование
  • Демпфирование в тонких пленках
  • Датчики
  • Цепи SPICE
  • Вибрационный анализ
  • Вязкоупругость
  • Эффект изменения жесткости при вращении

Области применения

  • Акселерометры
  • Приводы и актуаторы
  • Устройства на основе ОАВ (объемных акустических волн)
  • Консольные балки и кантилеверы
  • MEMS-конденсаторы
  • Гироскопы
  • Магнитострикционные приборы
  • Резонаторы
  • Пьезоэлектрические устройства
  • Пьезорезистивные устройства
  • СВЧ MEMS-системы
  • Датчики и сенсоры
  • Устройства на основе ПАВ (поверхностных акустических волн)
  • Термоактуаторы

Поддерживаемые форматы файлов

Формат файла Раcширение Импорт Экспорт
SPICE Circuit Netlist .cir Да Да
Touchstone .s2p, .s3p, .s4p, ... Нет Да

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Composite Piezoelectric Transducer

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Microresistor Beam

Thermal Stresses in a Layered Plate

Microresistor Beam

A 3D Biased Resonator: Stationary, Eigenfrequency, Frequency Domain, and Pull-In Analyses

Electrostatically Actuated Cantilever

Prestressed Micromirror

Capacitive Pressure Sensor

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свою контактную информацию, комментарии или вопросы и отправьте нам эту заявку. В течение одного рабочего дня вы получите ответ.

Следующий шаг:
Запрос
информации
о программе