MEMS Module

Analizzare sistemi microelettromeccanici

I dispositivi dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) utilizzano interazioni elettromagnetiche-strutturali, piezoelettriche, termiche-strutturali e altre interazioni multifisiche. La comprensione delle interazioni tra le varie fisiche è cruciale per il successo dei progetti di MEMS e rende il MEMS Module, un add-on del software COMSOL Multiphysics®, ideale per l'analisi dei dispositivi MEMS.

Le forze indotte dagli effetti termici, elettrostatici e piezoelettrici aumentano in modo significativo con la riduzione delle dimensioni del dispositivo. In altre parole, su microscala l'attuazione è abbastanza efficiente da consentire una gamma di applicazioni non disponibili su macroscala.

Contatta COMSOL
Modello di giroscopio a diapason con comando a pettine che mostra la grandezza dello spostamento nella tabella dei colori Prism.

Simulazione di dispositivi MEMS e di una varietà di interazioni multifisiche

Il MEMS Module è utilizzato per simulare oscillatori al quarzo e molti altri tipi di dispositivi piezoelettrici. Le simulazioni piezoelettriche possono includere effetti di precompressione e non lineari. Con il MEMS Module è possibile modellare anche gli effetti dell'espansione termica in attuatori e sensori.

Oltre a modellare i comuni fenomeni multifisici, il MEMS Module è in grado di modellare una serie di interazioni multifisiche complesse, importanti per una simulazione accurata dei dispositivi MEMS. Tra queste figurano il rigonfiamento igroscopico, lo smorzamento termoelastico e lo squeeze-film, l'interazione bidirezionale fluido-struttura (FSI) e gli effetti piezoresistivi, elettrostrittivi e ferroelettroelastici (compresa l'isteresi).

Il MEMS Module può essere utilizzato anche con altri moduli aggiuntivi di COMSOL Multiphysics®. Ad esempio, in combinazione con l'AC/DC Module, è possibile analizzare dispositivi magnetostrittivi. La combinazione con lo Structural Mechanics Module consente di modellare shell nei dispositivi MEMS e l'aggiunta del Microfluidics Module fornisce ulteriori strumenti per l'analisi dei dispositivi MEMS biomedici con particolare attenzione al flusso dei fluidi.

Cosa si può modellare con il MEMS Module

Analizzare una varietà di dispositivi MEMS soggetti a interazioni tra più fenomeni fisici.

Vista in primo piano di un modello di attuatore che mostra i risultati elettrotermici.

Attuatori

Simulare un'ampia gamma di attuatori, compresi quelli elettrotermici, elettrostatici e piezoelettrici.

Vista in primo piano di un modello di sensore di pressione che mostra le sollecitazioni.

Sensori

Prevedere il comportamento di sensori capacitivi, piezoelettrici e piezoresistivi.

Vista in primo piano di un modello di giroscopio che mostra la grandezza dello spostamento.

Giroscopi e accelerometri

Analizzare le prestazioni elettrostatiche, meccaniche o piezoelettriche di progetti di giroscopi e accelerometri.

Vista in primo piano di due modelli di diapason.

Dispositivi piezoelettrici

Modellare i dispositivi piezoelettrici, come gli accumulatori di energia, i trasduttori, gli attuatori e i giroscopi.

Vista in primo piano di un modello di oscillatore che mostra la risposta meccanica.

Oscillatori a cristallo piezoelettrico

Calcolo della risposta in frequenza di oscillatori a cristallo piezoelettrico con tagli arbitrari e inclusione della dissipazione termica.

Vista in primo piano di un modello di risonatore polarizzato che mostra le sollecitazioni.

Risonatori ad azionamento elettrosensibile

Calcolo delle frequenze di risonanza, della tensione di pull-in, del fattore Q e degli effetti dei diversi modi di smorzamento dei risonatori MEMS.

Vista in primo piano di una valvola piezoelettrica che mostra le sollecitazioni.

Dispositivi fluidi

Esplorare i progetti di micropompe, microvalvole e sensori microfluidici.

Grafico 2D di un diagramma di dispersione.

Risuonatori a onde acustiche (BAW)

Calcolo della risposta in frequenza e dei diagrammi di dispersione dei dispositivi BAW.

Eseguire una varietà di analisi strutturali

Il MEMS Module eredita le funzionalità di meccanica solida del Structural Mechanics Module, con opzioni per la modellazione della meccanica solida in 3D, 2D e 2D a simmetria assiale. Analizza praticamente qualsiasi fenomeno legato alla meccanica su microscala, comprese le forze di contatto, attrito, centrifuga, Coriolis ed Eulero. Per modellare materiali non lineari, compresi quelli iperelastici, è possibile combinare il MEMS Module con il Nonlinear Structural Materials Module.

Analisi di meccanica solida nel MEMS Module

  • Statica
  • Autofrequenza
    • Non smorzato
    • Smorzato
    • Precompresso
  • Transiente
    • Diretto o sovrapposizione di modo
  • Risposta in frequenza
    • Diretta o sovrapposizione di modo
    • Precompresso
  • Non linearità geometrica e grandi deformazioni
  • Contatto meccanico
  • Instabilità
  • Spettro di risposta
  • Vibrazioni casuali
  • Sintesi del modo componente

Analisi generalizzate nel MEMS Module

Grafico 1D di un'analisi parametrica con lo spostamento sull'asse y e la direzione della forza sull'asse x.
Analisi parametrica

Calcolare un modello con più parametri di input per confrontare i risultati.

Vista in primo piano di un modello di microvalvola di Tesla che mostra il campo di flusso.
Ottimizzazione

Ottimizzare le dimensioni geometriche, la forma, la topologia e altre quantità con l'Optimization Module.

Caratteristiche e funzionalità del MEMS Module

Il MEMS Module contiene caratteristiche e funzionalità specializzate per la modellazione di dispositivi MEMS.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Piezoelectric Effect evidenziato e un modello di oscillatore nella finestra Graphics.

Interfacce utente e risultati integrati

Il MEMS Module offre interfacce utente predefinite adattate al tipo di dispositivo e di interazione multifisica che si sta analizzando. Queste interfacce definiscono set di equazioni del dominio, condizioni al contorno, condizioni iniziali, mesh predefinite e studi predefiniti con impostazioni del solutore, nonché grafici predefiniti e valori derivati. Tutte queste funzioni sono accessibili all'interno dell'ambiente COMSOL Multiphysics®.

I valori del campo elettrico, delle sollecitazioni, delle deformazioni, dei fattori di qualità, dello smorzamento, delle frequenze di risonanza, della dissipazione e dei parametri di dispersione (parametri S), nonché i valori delle matrici di capacità, ammettenza e impedenza, possono essere calcolati ed esportati nel formato di file Touchstone. È possibile tracciare o valutare qualsiasi espressione matematica in termini di quantità calcolate.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrostatics, Boundary Elements evidenziato e un modello di condensatore sintonizzabile nella finestra Graphics.

Elettrostatica

È possibile analizzare gli effetti capacitivi nei dispositivi MEMS con calcoli di elettrostatica, in cui i campi sono determinati dal potenziale elettrico e dalla distribuzione della carica. Per la risoluzione del potenziale elettrico sono disponibili sia il metodo degli elementi finiti (FEM) sia il metodo degli elementi al contorno (BEM), che possono essere combinati per ottenere un metodo ibrido elementi al contorno-elementi finiti (BEM–FEM). Sulla base del campo di potenziale calcolato, è possibile calcolare diverse quantità, come le matrici di capacità, i campi elettrici, la densità di carica e l'energia elettrostatica.

La funzionalità elettrostatica può essere estesa con opzioni integrate per effetti multifisici come la piezoelettricità, l'elettrostrizione e la ferroelettricità. I modelli di dispersione di Debye e di perdita dielettrica dei materiali sono disponibili per l'analisi nel dominio della frequenza e in funzione del tempo.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Fluid-Structure Interaction evidenziato e un modello di micropompa nella finestra Graphics.

Interazione fluido–struttura (FSI)

L'interfaccia multifisica Fluid-Structure Interaction (FSI) del MEMS Module combina il flusso dei fluidi con la meccanica dei solidi per catturare le interazioni bidirezionali tra fluidi e strutture solide. Il flusso può essere laminare o turbolento. Per includere specifici fenomeni microfluidici, è possibile combinare il MEMS Module con il Microfluidics Module. Il flusso turbolento richiede il CFD Module o l'Heat Transfer Module. Il CFD Module consente inoltre di accoppiare il flusso bifase e trifase con la meccanica dei solidi.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Piezoresistive Effect, Boundary Currents evidenziato e un modello di sensore piezoresistivo nella finestra Graphics.

Piezoresistività

L'effetto piezoresistivo si riferisce alla variazione della conduttività di un materiale in risposta a una sollecitazione applicata. La facilità di integrazione di piccoli piezoresistori con i processi standard dei semiconduttori, insieme alla risposta ragionevolmente lineare del sensore, ha reso questa tecnologia particolarmente importante nel settore dei sensori di pressione. Per la modellazione dei sensori piezoresistivi, il MEMS Module fornisce diverse interfacce dedicate alla piezoresistenza nei solidi o negli shell. Combinando il MEMS Module con lo Structural Mechanics Module, è disponibile un'interfaccia utente per la piezoresistività di shell sottili.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Thermal Expansion evidenziato e un modello di risonatore nella finestra Graphics.

Accoppiamenti termomeccanici

L'interfaccia Thermoelasticity combina le interfacce Solid Mechanics e Heat Transfer in Solids, includendo termini di accoppiamento per lo smorzamento termoelastico. Lo smorzamento termoelastico è particolarmente importante nelle strutture MEMS più piccole, in cui le regioni di compressione e di espansione sono molto vicine. La deformazione ciclica dei risonatori crea variazioni locali di temperatura ed espansione termica del materiale, che si manifesta come smorzamento. I termini di accoppiamento termoelastico fanno sì che il materiale si raffreddi quando è in tensione e si riscaldi quando è in compressione. Il conseguente trasferimento irreversibile di calore tra le regioni calde e fredde del solido produce perdite meccaniche che possono essere importanti a livello microscopico.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Eigenfrequency evidenziato e il modello di risonatore nella finestra Graphics.

Smorzamento nei risonatori MEMS

Con il MEMS Module è possibile modellare diversi fenomeni di smorzamento, tra cui lo smorzamento a film comprimibile, i fattori di perdita isotropi e anisotropi per materiali dielettrici, elastici e piezoelettrici e lo smorzamento termoelastico. Per il calcolo dello smorzamento di ancoraggio, gli strati perfettamente accoppiati (PML) forniscono un assorbimento all'avanguardia delle onde elastiche in uscita per i solidi elastici e piezoelettrici. È possibile eseguire un'analisi di autofrequenza, di risposta in frequenza o transitoria completamente accoppiata.

Combinando il MEMS Module con l'Acoustics Module, è possibile includere gli effetti dello smorzamento acustico di un fluido circostante, compreso lo smorzamento acustico in pressione e lo smorzamento acustico termoviscoso.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Terminal evidenziato e un risonatore MEMS nella finestra Graphics.

Dispositivi precompressi e polarizzati

Il MEMS Module può essere utilizzato per studiare dispositivi sottoposti a precompressione con carichi meccanici e termici. L'analisi integrata delle perturbazioni armoniche consente di calcolare la risposta in frequenza, le frequenze e gli autovalori di tali modelli.

In modo analogo, è possibile analizzare i risonatori MEMS a polarizzazione elettrostatica, compresi i filtri micromeccanici. Ad esempio, poiché questi dispositivi sono polarizzati da una tensione continua e pilotati da una corrente alternata, è possibile analizzare come gli effetti di smorzamento e polarizzazione causino lo spostamento delle frequenze di risonanza.

Vista in primo piano del Model Builder con i nodi Thermal Expansion e Electromagnetic Heating evidenziati e tre risultati di attuatori nella finestra Graphics.

Riscaldamento Joule e stress termico

È possibile combinare facilmente effetti multifisici termici, elettrici e strutturali. Gli accoppiamenti multifisici predefiniti per il riscaldamento Joule e l'espansione termica consentono di modellare la conduzione della corrente elettrica in una struttura, il successivo riscaldamento elettrico causato dalle perdite ohmiche e le sollecitazioni termiche indotte dal campo di temperatura. Le applicazioni tipiche includono attuatori termici e fusibili. Tutte le proprietà dei materiali possono essere non lineari e dipendenti dalla temperatura. La modellazione dei contatti meccanici può essere estesa per includere la resistenza di contatto sia per il calore che per le correnti elettriche. Gli strati conduttori sottili possono essere modellati utilizzando strumenti specializzati per gli shell stratificati.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Piezoelectric Effect evidenziato e il modello di un accumulatore di energia nelle finestre Graphics.

Piezoelettricità

Gli strumenti di modellazione piezoelettrica, straordinariamente avanzati, consentono simulazioni statiche, nel dominio della frequenza, in autofrequenza e nel dominio del tempo. I progetti possono avere materiali combinati in qualsiasi configurazione immaginabile e possono facilmente includere parti piezoelettriche, metalliche, dielettriche e fluide accoppiate.

È possibile modellare sia gli effetti piezoelettrici diretti che quelli inversi e l'accoppiamento piezoelettrico può essere formulato utilizzando le forme strain-charge o stress-charge. Il MEMS Module include una libreria di proprietà di materiali piezoelettrici comuni, tra cui le proprietà del titanato di zirconio di piombo (PZT) e del quarzo. Molti materiali piezoelettrici presentano un comportamento ferroelettroelastico non lineare a grandi campi elettrici applicati. È possibile modellare strutture dielettriche e piezoelettriche a strato sottile con shell, a cui si accede combinando il MEMS Module e il Composite Materials Module.

Lo smorzamento nei dispositivi piezoelettrici può essere rappresentato con fattori di perdita per il piezoelettrico e per le parti elastiche e dielettriche. Il riscaldamento dielettrico può essere calcolato e accoppiato con l'analisi del trasferimento di calore per studiare gli effetti della dispersione.

Quando si analizza il comportamento piezoelettrico utilizzando l'interfaccia Piezoelectricity, è possibile ottenere risultati per il potenziale elettrico e il campo elettrico, lo spostamento, la deformazione, lo stress, la capacità, le perdite, l'ammettenza, l'impedenza e i parametri S.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Frequency Domain evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Dinamica delle onde nei materiali elastici e piezoelettrici

Le vibrazioni e la propagazione delle onde elastiche e piezoelettriche possono essere modellate sia nel dominio della frequenza sia nel dominio del tempo. Ciò consente di analizzare, ad esempio, trasduttori e risonatori acustici, compresi i dispositivi a onde acustiche di bulk (BAW).

Per le simulazioni nel dominio del tempo, è possibile scegliere tra metodi impliciti ed espliciti. In tutti i casi, è possibile combinare nello stesso modello diversi tipi di materiali, compresi quelli funzionalmente graduati.

Le simulazioni nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo implicito si basano sul metodo degli elementi finiti, mentre le simulazioni nel dominio del tempo esplicito si basano sul metodo discontinuo Galerkin (dG o dG-FEM). Il metodo dG-FEM utilizza un solutore esplicito nel tempo per garantire un metodo ibrido efficiente dal punto di vista computazionale, in grado di risolvere modelli molto grandi con molti milioni di gradi di libertà (DOF). Questo metodo mostra eccellenti prestazioni di calcolo parallelo, anche quando viene eseguito su cluster.

Per la modellazione delle onde che escono dal dominio di calcolo, è disponibile una varietà di condizioni al contorno e di strati assorbenti, tra cui condizioni al contorno non riflettenti, strati assorbenti, strati perfettamente accoppiati (PML) e condizioni al contorno di porte elastiche.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electromechanical Forces evidenziato e un modello di cantilever nella finestra Graphics.

Interazione elettromagnetica–strutturale

L'interfaccia multifisica Electromechanics combina la meccanica solida e l'elettrostatica con una mesh mobile per aiutare a modellare la deformazione di strutture attuate elettrostaticamente, come i sensori inerziali. L'interfaccia è compatibile anche con i materiali ferroelettroelastici ed elettrostrittivi e dispone di opzioni per FEM e BEM. Un'interfaccia multifisica simile per la magnetomeccanica è disponibile quando il MEMS Module è combinato con l'AC/DC Module.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrostriction evidenziato e due finestre Graphics.

Materiali elettrostrittivi e ferroelettroelastici

L'elettrostrizione è una forma di interazione elettromeccanica in cui un campo elettrico applicato a un materiale elettrostrittivo genera una deformazione del materiale (effetto diretto) e una sollecitazione applicata al materiale ne modifica la polarizzazione (effetto inverso). Per modellare questo fenomeno, è possibile utilizzare l'interfaccia Electrostriction, che include un accoppiamento multifisico tra le interfacce Solid Mechanics ed Electrostatics.

L'interfaccia Ferroelectroelasticity può essere utilizzata per modellare l'accoppiamento di Solid Mechanics ed Electrostatics. Ciò consente di modellare le interazioni elettromeccaniche non lineari nei materiali ferroelettrici e piezoelettrici. La polarizzazione elettrica in questi materiali, compresi eventuali effetti di isteresi e saturazione, dipende in modo non lineare dal campo elettrico applicato. Inoltre, la polarizzazione e le deformazioni meccaniche in questi materiali possono essere fortemente accoppiate.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Resistor evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Circuiti elettrici

Il MEMS Module consente di combinare modelli 2D e 3D con circuiti SPICE. Nella simulazione combinata, alcune parti del modello avranno una rappresentazione circuitale. In questo modo si può valutare, ad esempio, l'effetto di un condensatore in serie su un oscillatore a cristallo di quarzo.

Per qualsiasi modello o combinazione di modelli, è possibile utilizzare l'interfaccia Electrical Circuit per risolvere le tensioni, le correnti e le cariche associate agli elementi del circuito. I modelli di circuito possono contenere elementi passivi come resistenze, condensatori e induttori, nonché elementi attivi come diodi e transistor. È possibile esportare e importare topologie di circuiti nel formato netlist SPICE.

Creazione e importazione di progetti MEMS

Potete scegliere di creare il vostro disegno geometrico all'interno di COMSOL Multiphysics® utilizzando gli strumenti CAD integrati o importando file creati con un altro programma software.

Per facilitare l'esecuzione di analisi basate su modelli CAD meccanici, COMSOL offre i prodotti CAD Import Module, Design Module e LiveLink™ per diversi sistemi CAD leader del settore.

Per importare file di layout elettronico, compresi i file in formato GDSII, è possibile utilizzare il ECAD Import Module. È inoltre possibile combinare liberamente modelli ECAD e CAD meccanici.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.

Il prossimo passo? Richiedi una dimostrazione del software