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微機電系統模擬 微機電系統(MEMS

設計和模擬是一門獨特的工程學科。在小尺度下,諧振器、陀螺儀、加速計和致動器的設計必須同時考慮多種物理現像在其工作中的影響。

因此,COMSOL Multiphysics 特別適合於MEMS 模擬。

MEMS 模組提供了預定義的用戶介面與相關的模擬工具(稱為物理場介面),可用於一系列多物理場模擬,包括電磁-結構、熱-結構或流固耦合等。

您可以在模型中考慮一系列阻尼現象:薄膜氣體阻尼、固體和壓電材料的各向異性損耗因子、錨阻尼和熱彈性阻尼。

對於彈性振動和彈性波,先進的完美匹配層(PML)技術可以吸收發散的彈性能量。最佳的壓電和壓阻模擬工具應該使用戶可以在任何可想像到的情況下定義壓電-彈性-介電複合材料。

MEMS模組包含了穩態和瞬態分析,以及全耦合特徵頻率、參數化、準靜態和頻率響應等分析模式。您可以簡便地提取電容、阻抗和導納等集總參數,並通過SPICE介面連接外部電路。MEMS模組基於COMSOL Multiphysics®的核心功能開發,可用於處理與微尺度力學有關的任何現象。

連貫的MEMS 模擬流程

要模擬MEMS器件,需要先在軟件中繪製幾何結構,可以使用COMSOL的建模工具,或通過CAD導入。如果要導入機械CAD模型,可以通過使用CAD導入模組CADLiveLink™模組。電氣佈局可以藉助ECAD導入模組導入。定義幾何模型之後,下一個步驟是選擇相應的材料與適合的物理介面。在介面中需要設置初始條件和邊界條件。之後,定義網格並選擇求解器。最後,可視化並導出結果。所有這些步驟均可從COMSOL Desktop ®中訪問。求解器會自動使用缺省設置,這些設置已經針對每個特定介面進行了調節。此外,高級用戶可以根據需要訪問並修改底層求解器設置。

 

您還可以將MEMS模擬與Microsoft ® Excel ®整合。LiveLink for Excel ®使您可以從Excel ®界面內驅動模擬,並導入/導出結果和材料。如果您喜歡底稿運行環境,則可以將COMSOL MultiphysicsMATLAB一起安裝,LiveLink forMATLAB ®提供了一系列功能強大的MATLAB ®兼容命令。通過這種方式,COMSOL模擬可以與MATLAB程序整合。您可以將結果從COMSOL模型導出到MATLAB環境,包括檢查剛度矩陣和系統矩陣。

靜電致動器和機電

靜電力會隨器件尺寸減小而發生相應比例變化,這是MEMS 中經常利用的一種現象。MEMS 模組在該領域內的典型應用是靜電驅動的MEMS 諧振器,它通過施加的直流偏振電壓工作。MEMS 模組提供了機電學的專用物理介面,對於MEMS 諧振器,該介面用於計算諧振頻率隨所施加直流偏振電壓而發生的變化——由於耦合機電系統的軟化,頻率會隨施加電勢而降低。由於器件尺寸小,即使對於簡單的彎曲模式,也會產生MHz 級的諧振頻率。此外,電磁力的相應量級使得可以實現在大尺度下不可能實現的高效電容驅動。MEMS 模組隨附的案例庫具有詳細的教程,以及靜電驅動的MEMS 諧振器模型的建模步驟說明。此外,您還可以選擇使用機電介面來添加各向同性電致伸縮的作用。

壓電器件

當器件尺寸減小時,壓電作用力也會成比例縮小。此外,壓電傳感器和致動器一般是線性器件,運行時不會消耗直流功率。石英頻率相關元件可以視為目前產量最高的MEMS 元件——每年的製造量超過10 億個。MEMS 模組的物理介面特別適合於模擬石英震盪器,以及其它一系列壓電器件。

 

MEMS 模組隨附的一個教程展現了帶有串聯電容的厚度剪切石英震盪器的力學響應,以及該串聯電容對其頻率響應的影響。串聯電容經常用來調節石英震盪器的諧振,而MEMS 模組讓用戶可以將二維和三維模型與SPICE 電路相結合,從而進行這種耦合模擬。

熱致動器和熱應力

熱應力相對於慣性力發生相對比例的變化。這使微型熱致動器的速度快到足夠在微尺度下使用,雖然熱致動器的速度通常慢於電容或壓電致動器。熱致動器也可以方便地與半導體工藝整合,雖然與靜電和壓電致動器相比,它們通常需要消耗大量能量。MEMS 模組可以用於模擬考慮電阻損耗的焦耳熱與熱應力模型。熱效應也在許多商業MEMS 技術的製造中發揮著重要作用,因為沈積薄膜中的熱應力對於許多應用來說至關重要。MEMS 模組包含了用於熱應力計算的專用物理介面,具有大量的後處理和可視化功能,包括應力與應變場、主應力與應變、有效應力、位移場等。