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微機電系統（MEMS）元件通常利用電磁-結構、壓電、熱-結構等多物理場相互作用的原理來運作，了解各種物理場之間的相互作用對於設計和優化 MEMS 元件至關重要。COMSOL Multiphysics® 軟體的「MEMS 模組」是一款專用於分析 MEMS 元件的理想工具。

 

隨著元件尺寸的縮小，由熱、電和壓電等效應引起的作用力會變得更加顯著。這就意味著，在微觀尺度上，驅動效率的提升使得一些在宏觀尺度上無法實現的應用變得可能。


類比 MEMS 器件和各種多物理場的相互作用

 

微機電系統（MEMS）器件通常利用電磁-結構、壓電、熱-結構等多物理場相互作用的原理來工作，瞭解各種物理場之間的相互作用對於設計和優化 MEMS 器件至關重要。COMSOL Multiphysics® 軟體的「MEMS 模組」是一款專用於分析 MEMS 器件的理想工具。

 

隨著器件尺寸的縮小，由熱、電和壓電等效應引起的作用力會變得更加顯著。這就意味著，在微觀尺度上，驅動效率的提升使得一些在宏觀尺度上無法實現的應用變得可能。

 

類比 MEMS 器件和各種多物理場的相互作用

「MEMS 模組」可用于模擬石英振盪器，以及許多其他類型的壓電器件，而且壓電模擬還可以包含預應力和非線性效應。借助「MEMS 模組」，您還可以模擬執行器和感測器的熱膨脹效應。

 

除了對常見的多物理場現象建模以外，「MEMS 模組」還能模擬許多複雜的多物理場相互作用，這對 MEMS 器件的精確模擬非常重要。這些相互作用包括吸濕膨脹、熱彈性和壓膜阻尼、雙向流-固耦合（FSI）以及壓阻、電致伸縮和鐵電彈性效應（包括滯後效應）。

 

不僅如此，「MEMS 模組」還可以與其他 COMSOL Multiphysics® 附加模組一起使用。例如，與 AC/DC 模組結合使用時，可以分析磁致伸縮器件；與結構力學模組結合使用時，可以在 MEMS 器件中進行殼建模。此外，通過添加微流體模組，您還可以使用額外的工具來分析生物醫學 MEMS 器件，尤其是流體流動。


MEMS 模組支援的建模對象

分析受多種物理現象相互作用影響的各種 MEMS 器件


驅動器

模擬各種驅動器，包括電熱、靜電和壓電驅動器。

感應器

預測電容式、壓電式和壓阻式感應器的行為。


陀螺儀和加速器

分析陀螺儀和加速器的設計的靜電機械或壓電性能。

壓電元件

對壓電元件（如能量收集器、換能器、執行器和陀螺儀）進行建模。


石英振盪器

計算具有任意切割的壓電晶體振盪器的頻率響應，並包括熱耗散。

靜電驅動諧振器

計算微機電系統諧振器的諧振頻率、吸收電壓、Q值以及不同阻尼模式的影響。


微流體裝置

探索微泵、微閥和微流體感應器的設計。

表面聲波（BAW）諧振器

計算BAW元件的頻率響應和色散圖。

運行各種結構分析

微機電系統模組繼承了結構力學模組的固體力學功能，並提供用於在 3D、2D 和 2D 軸對稱中建模固體力學的選項。在微觀尺度上分析幾乎任何與力學相關的現象，包括接觸力、摩擦力、離心力、柯氏力和歐拉力。要對非線性材料（包括超彈性材料）進行建模，可以將微機電系統模組與非線性結構材料模組結合使用。

微機電系統模組中的固體力學分析

  • 靜態分析
  • 特徵頻率分析
    • 無阻尼動態分析
    • 阻尼動態分析
    • 預應力分析
  • 短暫動態分析
    • 直接或模態叠加分析
  • 頻率響應分析
    • 直接或模態叠加分析
    • 預應力分析
  • 幾何非線性和大變形分析
  • 機械接觸分析
  • 屈曲分析
  • 反應譜分析
  • 隨機振動分析
  • 元件模式合成分析


MEMS 模組的特點和功能

MEMS 模組包含專門用於建模微機電系統器件的功能和特色



內建用戶界面和結果

MEMS模組提供了內建的用戶界面，針對您正在分析的設備和多物理相互作用進行了量身定制。這些界面定義了域方程組、邊界條件、初始條件、預定義網格和預定義求解器設置以及預定義繪圖和衍生值的研究。所有這些功能都可以在COMSOL Multiphysics環境中訪問。

 

可以計算和導出電場、應力、應變、品質因素、阻尼、共振頻率、耗散和散射參數（S參數）的值，以及電容、電導和阻抗矩陣的值，並將其導出到Touchstone文件格式。您可以繪製或評估任何數學表達式，以計算所得量。

焦耳熱和熱應力

你可以輕鬆結合熱、電和結構多物理效應。預定義的焦耳熱和熱膨脹多物理耦合使您能夠模擬結構中的電流傳導、歐姆損失引起的電熱和溫度場引起的熱應力。典型應用包括熱致動器和熔斷器。所有材料特性都允許是非線性和溫度相關的。機械接觸的建模可以擴展到包括熱和電流的接觸電阻。薄導電層可以使用專門的分層殼體工具進行建模。


靜電學

使用靜電學計算可以分析MEMS元件的電容效應，其中場是由電位和電荷分佈所決定。有限元法(FEM)和邊界元素法(BEM)都可用於求解電位，並可以結合使用以形成混合邊界元素 - 有限元素方法(BEM-FEM)。基於所計算出的電位場，可以計算出許多數量，例如電容矩陣、電場、電荷密度和靜電能量。

 

靜電學功能可以擴展內置選項，以用於多物理效應，如壓電效應、電應縮效應和鐵電效應。Debye色散和介電損耗材料模型可用於頻率域和時間依賴性分析。

壓電效應

獨特先進的壓電模擬工具可進行靜態、頻率域、耦合本徵頻率和時間域模擬。設計可使用任何可想像的組合方式結合材料，並且可以輕鬆包括耦合壓電、金屬、介電和流體部件。

 

可模擬直接和反向壓電效應，壓電耦合可使用應變電荷或應力電荷形式進行公式化。MEMS模組包含常見壓電材料的資料庫，包括鋯鈦酸鉛（PZT）和石英等材料的特性。許多壓電材料在大電場下表現出非線性鐵電彈性行為。您可以使用層狀殼結構模擬薄層介電和壓電結構，透過結合MEMS模組和複合材料模組即可存取。

 

壓電器件中的阻尼可通過壓電、彈性和介電部分的損失因素表示。可以計算介電加熱並與熱傳分析耦合以研究分散的影響。

 

在使用壓電模擬介面分析壓電行為時，您可以獲得電位和電場、位移、應變、應力、電容、損失、導納、阻抗和S參數等結果。


流固耦合（FSI）

 MEMS 模組中的流固耦合（FSI）多物理介面將流體流動與固體力學結合起來，捕捉流體和固體結構之間的雙向作用。流動可以是層流或紊流。為了包含特定的微流體現象，您可以將 MEMS 模組與微流體力學模組結合使用。紊流需要使用 CFD 模組或熱傳模組。 CFD 模組還允許將二相和三相流與固體力學耦合。

彈性材料和壓電材料的波動動力學

彈性和壓電波動的振動和傳播可以在頻域和時域中進行模擬。這使得分析聲學傳感器和諧振器成為可能，包括體積聲波（BAW）設備。

 

對於時域模擬，您可以選擇隱式和顯式方法。在所有情況下，不同類型的材料可以結合在同一模型中，包括功能梯度材料。

 

頻域和隱式時域模擬基於有限元方法，而顯式時域模擬基於斷裂 Galerkin 方法（dG 或 dG-FEM）。dG-FEM 方法使用時顯式求解器確保了一種計算效率高的混合方法，可以解決具有許多百萬自由度（DOF）的非常大的模型。這種方法顯示了優秀的平行計算性能，包括在叢集上運行時。

 

為了模擬離開計算域的波，提供了各種邊界條件和吸收層，包括非反射邊界條件，海綿層，完美匹配層（PML）和彈性端口邊界條件。


熱機耦合

熱彈性介面結合了固體力學和固體熱傳介面，其中包括熱彈性阻尼的耦合項。熱彈性阻尼在較小的MEMS結構中尤其重要，在這些結構中，壓縮和膨脹區域非常接近。共振器的循環變形會產生局部的溫度變化和材料的熱膨脹，這會顯示為阻尼。熱彈耦合項導致材料在拉伸時冷卻，在壓縮時加熱。在固體的熱和冷區之間產生的結果不可逆熱傳導產生了微觀層面上可能很重要的機械損耗。

電磁-結構交互作用

電機力學多物理介面結合了固體力學和靜電學，並配合移動網格，協助您模擬靜電作用下的結構變形，例如慣性感測器。此介面也適用於鐵電彈性和電致伸縮材料，並具有 FEM 和 BEM 的選項。當 MEMS 模組與 AC/DC 模組結合時，也有類似的磁機力學多物理介面可用。

熱力機械耦合

熱彈性介面結合了固體力學和固體熱傳介面，包括熱彈性阻尼的耦合項。


在較小的MEMS結構中，熱彈性阻尼特別重要，因為壓縮和膨脹區域非常接近。共振器的循環變形產生局部溫度變化和材料的熱膨脹，這表現為阻尼。熱彈性耦合項使得當材料處於拉伸狀態時冷卻，而在壓縮狀態下加熱。由此產生的熱傳導不可逆地在固體的暖區和冷區之間產生機械損失，這可能在微觀層面上非常重要。




電致伸縮材料和鐵電彈性材料

電致伸縮是一種電機耦合交互作用，其中施加在電致伸縮材料上的電場會引起該材料的變形（直接效應），而施加在材料上的應力會改變其極化（反向效應）。要模擬這種現象，您可以使用電致伸縮介面，其中包括固體力學和靜電學介面之間的多物理耦合。

 

鐵電彈性介面可用於建模固體力學和靜電學的耦合。這使您能夠在鐵電和壓電材料中模擬非線性電機耦合交互作用。這些材料中的電極化，包括可能的滯後和飽和效應，非線性地依賴於施加的電場。此外，這些材料中的極化和機械變形可以強烈耦合。

MEMS共振器阻尼

使用MEMS模組可以建模多種不同的阻尼現象，包括擠壓膜阻尼;介電、彈性和壓電材料的各向同性和各向異性損失因子;以及熱彈性阻尼。為了計算錨點阻尼，完美匹配層（PML）可提供最先進的出射彈性波吸收技術，適用於彈性和壓電固體。您可以執行完全耦合的固有頻率、頻率響應或暫態分析。

 

通過將MEMS模組與聲學模組結合使用，可以包括周圍流體中的聲阻尼效應，包括壓力聲阻尼和熱粘聲阻尼。

電路模擬

MEMS 模組可以讓你結合 2D 和 3D 模型以及 SPICE 電路模擬。在這種結合的模擬中，模型的某些部分會有電路的表示。例如，可以使用這種方法來評估石英晶體振盪器上串聯電容的效果。

 

對於任何模型或模型組合，你都可以使用電路界面求解與電路元件相關的電壓、電流和電荷。電路模型可以包含被動元件，如電阻器、電容器和電感器，也可以包含主動元件，如二極體和晶體管。你可以以 SPICE 網表格式導入和匯出電路拓撲。

預應力與偏壓元件

MEMS模組可用於研究受機械和熱負載預應力的元件。內建的調和擾動分析可用於計算這些模型的頻率響應，以及固有頻率和固有模式。

 

同樣地，您可以分析靜電偏壓的MEMS共振器，包括微機械濾波器。例如，由於這些元件受到直流電壓的偏壓並由交流電驅動，您可以分析阻尼和偏壓效應如何使共振頻率發生變化。


建立和匯入 MEMS 設計

 

您可以使用 COMSOL Multiphysics 中的內建 CAD 工具或匯入由其他軟體程式製作的檔案，來建立幾何設計。

 

為了讓您能夠輕鬆地進行基於機械 CAD 模型的分析，COMSOL 提供了 CAD Import Module、Design Module 和 LiveLink™ 產品，可與幾個領先的 CAD 系統整合。

 

若要匯入電子佈局檔案（包括 GDSII 格式的檔案），您可以使用 ECAD Import Module。您還可以自由結合 ECAD 和機械 CAD 模型。


軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同，為了能有效地評估COMSOL Multiphysics ®軟體是否能符合您的需求，請您與我們聯繫！

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