MEMS Module
MEMS Module
Per simulazioni di sistemi microelettromeccanici (MEMS)
Un sensore di pressione misura la pressione in base al cambiamento di capacità correlata alla deformazione della struttura. La deformazione dipende da temperatura e pressione dell'ambiente, dai materiali utilizzati e dagli stress iniziali dei materiali.
Simulazione di sistemi microelettromeccanici
La progettazione e la modellazione di sistemi microelettromeccanici (MEMS) è una disciplina ingegneristica con sue peculiarità specifiche. A piccole scale di lunghezza, la progettazione di risonatori, giroscopi, accelerometri e attuatori deve considerare gli effetti di diversi fenomeni fisici sul loro funzionamento. Di conseguenza, COMSOL Multiphysics è la soluzione ideale per le applicazioni MEMS. A tal fine, il MEMS Module offre interfacce utente predefinite con strumenti di modellazione associati, le cosiddette interfacce fisiche, per simulare una varietà di fenomeni fisici accoppiati, tra cui le interazioni elettro-strutturali, termo-strutturali o fluido-strutturali. Si possono includere molteplici fenomeni di smorzamento nel modello: smorzamento dovuto a strati di gas sottili, fattori di perdita anisotropi per materiali solidi e piezoelettrici, smorzamento di ancoraggio e smorzamento termoelastico. Per vibrazioni elastiche e onde, gli strati perfettamente adattati (PML) forniscono i valori di assorbimento dell'energia elastica uscente.
Gli strumenti di modellazione piezoelettrica e piezoresistiva migliori del settore consentono di eseguire simulazioni in cui materiali compositi elastici/piezoelastici/dielettrici possono essere combinati in qualsiasi configurazione immaginabile. Il MEMS Module include le analisi nei domini stazionari e transitori, così come le analisi completamente accoppiate di frequenza propria, parametrica, quasi-statica e della risposta in frequenza. Da queste analisi è facile estrarre in blocco i parametri di capacità, impedenza e ammettenza e collegarli ai circuiti elettrici esterni tramite le netlist SPICE. Basato sulle funzionalità principali di COMSOL Multiphysics®, il MEMS Module può essere utilizzato per studiare qualsiasi fenomeno legato alla meccanica a livello microscalare.
Altre immagini:
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RISONATORI AZIONATI DA FORZE ELETTROSTATICHE: simulazione di un risonatore MEMS azionato da forze elettrostatiche nell'interfaccia Elettromeccanica del MEMS Module. -
RISONATORE AL QUARZO: la risposta meccanica di un oscillatore al quarzo il cui modo eccitato è un modo di taglio nello spessore; contestualmente è mostrato un grafico dell'effetto di una capacità esterna sulla risposta in frequenza.
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ATTUATORE TERMICO: la temperatura all'interno di un attuatore riscaldato per effetto Joule è mostrata in alto, mentre in basso è mostrata la distribuzione della densità di corrente.
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SENSORI PIEZORESISTIVI: è qui mostrato il campo di sforzo in un sensore piezoresistivo calcolato con l'interfaccia fisica incorporata per materiali piezoresistivi del MEMS Module.
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TERMOELASTICITÀ: lo smorzamento termoelastico è un fattore importante nella progettazione di risonatori MEMS. La deformazione ciclica del risonatore crea variazioni di temperatura locali e dilatazione termica del materiale, che si manifesta come smorzamento.
Flusso di lavoro robusto per la modellazione di dispositivi MEMS
Per modellare un dispositivo MEMS, si definisce in primo luogo la geometria utilizzando gli strumenti di modellazione nativi di COMSOL o importando un modello CAD. Per importare i modelli CAD meccanici, è possibile utilizzare il CAD Import Module o uno dei prodotti LiveLink™ per CAD. Gli schemi elettronici possono essere importati con l'ECAD Import Module. Una volta definito il modello geometrico, il passo successivo riguarda la selezione dei materiali appropriati e l'aggiunta di un'interfaccia fisica adatta. E' necessario poi impostare nell'interfaccia le condizioni iniziali e al contorno, quindi definire la mesh e selezionare un solutore. Infine, si visualizzano i risultati che a questo punto possono essere elaborati o esportati a piacere. Tutti questi passaggi sono accessibili nel COMSOL Desktop®. I solutori sono scelti automaticamente con impostazioni predefinite tarate su ogni specifica interfaccia. Tuttavia, gli utenti più esperti possono comunque accedere e modificare le impostazioni di basso livello relative al solutore secondo necessità.
È inoltre possibile integrare le simulazioni MEMS con Microsoft® Excel®. Il LiveLink™ for Excel® consente di comandare le simulazioni dall'interfaccia di Excel® e di importare/esportare i risultati e i materiali. Se si preferisce un ambiente programmatico, il LiveLink™ for MATLAB® mette a disposizione una serie molto potente di comandi compatibili con MATLAB® durante l'installazione congiunta di COMSOL Multiphysics e MATLAB. In questo modo, le simulazioni di COMSOL possono essere integrate con i programmi MATLAB. È possibile esportare i risultati da un modello COMSOL in ambiente MATLAB, compresa l'indagine delle matrici di rigidezza e di sistema.
Attuatori azionati da forze elettrostatiche ed elettromeccanica
Le forze elettrostatiche scalano favorevolmente alla riduzione nelle dimensioni del dispositivo, un fatto spesso sfruttato nella progettazione MEMS. Un'applicazione tipica del MEMS Module in questo contesto riguarda i risonatori MEMS azionati da forze elettrostatiche, che funzionano con corrente di polarizzazione CC applicata. Il MEMS Module offre un'interfaccia fisica dedicata per l'elettromeccanica che, nel caso dei risonatori MEMS, è utilizzata per calcolare la variazione della frequenza risonante con polarizzazione CC applicata: la frequenza diminuisce con il potenziale applicato a causa dell'ammorbidimento del sistema elettromeccanico accoppiato. Le dimensioni compatte del dispositivo si traducono in una frequenza risonante dell'ordine dei MHz anche per una semplice modalità flessionale. Inoltre, la scalatura favorevole delle forze elettromagnetiche permette un'attuazione capacitiva efficace, che non sarebbe possibile su macroscala. La Model Library fornita con il MEMS Module contiene tutorial dettagliati con istruzioni passo-passo per i risonatori MEMS azionati da forze elettrostatiche. Offre inoltre la possibilità di utilizzare l'interfaccia elettromeccanica per includere gli effetti di elettrostrizione isotropa.
Dispositivi piezoelettrici
Anche le forze piezoelettriche si adattano bene alla riduzione delle dimensioni di un dispositivo. Inoltre, gli attuatori e i sensori piezoelettrici sono prevalentemente lineari e non assorbono alimentazione CC durante il funzionamento. I riferimenti di frequenza al quarzo possono essere considerati attualmente i componenti MEMS con i maggiori volumi di produzione, pari a 1 miliardo di dispositivi all'anno. Le interfacce fisiche del MEMS Module sono particolarmente adatte per simulare gli oscillatori al quarzo e un'ampia gamma di altri dispositivi piezoelettrici.
Uno dei tutorial forniti con il MEMS Module descrive la risposta meccanica di un oscillatore al quarzo (modo attivato: deformazione di taglio nello spessore) accoppiato alla presenza di una capacità esterna in serie e l'effetto complessivo sulla risposta in frequenza del sistema. La capacità in serie è spesso utilizzata per regolare o aumentare la risonanza degli oscillatori al quarzo e il MEMS Module consente di combinare i modelli 2D e 3D a circuiti SPICE per eseguire queste simulazione combinate.
Attuatori termici e deformazione termica
Le forze termiche scalano favorevolmente rispetto alle forze inerziali. Per questo gli attuatori termici microscopici sono sufficientemente veloci per essere utilizzati alla microscala, sebbene essi siano in genere più lenti rispetto agli attuatori piezoelettrici o capacitivi. Gli attuatori termici sono inoltre facili da integrare con i processi tipici nell'industria dei semiconduttori, anche se di solito richiedono molta potenza di alimentazione rispetto agli attuatori elettrostatici e piezoelettrici. Il MEMS Module può essere utilizzato per analizzare il riscaldamento Joule in compresenza della deformazione termica, includendo i dettagli della distribuzione delle perdite resistive. Anche gli effetti termici rivestono un ruolo importante nella produzione di molte tecnologie MEMS commerciali, dove gli sforzi termici dei film sottili depositati sono cruciali per molte applicazioni. Il MEMS Module include interfacce fisiche dedicate per i calcoli della deformazione termica, con avanzate funzionalità di post-processing e di visualizzazione dei campi di sforzo e deformazione, sforzo e deformazione principale, sforzo efficace, campi di spostamento e molto altro.
Architettura aperta e flessibile
La progettazione in COMSOL pone l'accento sui fenomeni fisici e fornisce le equazioni risolte da ogni caratteristica, oltre all'accesso completo al sistema di equazioni sottostante per aggiungervi facilmente altre equazioni ed espressioni definite dall'utente. Ad esempio, per modellare il riscaldamento Joule in una struttura con proprietà elastiche dipendenti dalla temperatura, basterà specificare le costanti elastiche come funzione della temperatura, senza dover programmare uno script o codice. Quando COMSOL compila le equazioni, gli accoppiamenti complessi generati da queste espressioni definite dall'utente vengono inclusi automaticamente nel sistema di equazioni. Le equazioni vengono quindi risolte applicando il metodo agli elementi finiti e consolidati metodi di soluzione. Ottenuta una soluzione, sono disponibili diversi strumenti di post-processing con i quali investigare i dati; i diagrammi predefiniti vengono generati automaticamente per visualizzare la risposta del dispositivo. COMSOL offre la flessibilità necessaria per valutare una vasta gamma di grandezze fisiche, tra cui grandezze predefinite come la temperatura, il campo elettrico o il tensore di sforzo (disponibili tramite menu intuitivi), così come espressioni arbitrarie definite dall'utente.
Interazione fluido-struttura (FSI) e smorzamento dovuto a un meato sottile di fluido
I dispositivi fluidici MEMS, anche denominati dispositivi microfluidici, sono un'area di importanza crescente nel settore MEMS. COMSOL offre un modulo separato, il Microfluidics Module, per affrontare in modo specifico queste applicazioni, tuttavia il MEMS Module include funzionalità di microfluidica significative per simulare l'interazione di strutture MEMS con i fluidi. L'interfaccia multifisica Interazione fluido-struttura (FSI) combina la fluidodinamica alla meccanica dei solidi per registrare l'interazione tra un fluido e una struttura solida. Le interfacce utente Meccanica dei solidi e Flusso laminare modellano rispettivamente il solido e il fluido. Gli accoppiamenti FSI appaiono sui contorni tra il fluido e il solido e possono includere sia la pressione del fluido e le forze viscose, sia il trasferimento della quantità di moto dal solido al fluido (FSI bidirezionale). Il metodo più generale utilizzato per FSI è l'Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE).
Le forze di smorzamento generate dal FSI sono importanti per i dispositivi MEMS, perché spesso determinano la necessità di processi di packaging in vuoto. Il MEMS Module offre interfacce fisiche specializzate per lo smorzamento dovuto a un film sottile di gas, che risolvono l'equazione di Reynolds per determinare la velocità del fluido, la pressione e le forze agenti sulle superfici adiacenti. Queste interfacce possono essere utilizzate per modellare lo smorzamento dovuto a un film di aria compresso o scorrevole entro un ampio intervallo di pressioni (includendo anche gli effetti di rarefazione). Lo smorzamento causato da film sottili di gas è disponibile su superfici arbitrarie in 3D e può essere accoppiato direttamente a solidi 3D.
Sensori piezoresistivi
L'effetto piezoresistivo si riferisce al cambiamento nella conducibilità di un materiale che si verifica in risposta a una tensione applicata. La facilità di integrazione di piccoli piezoresistori nei processi a semiconduttore standard, insieme alla risposta ragionevolmente lineare del sensore, ha reso questa tecnologia particolarmente importante nel settore dei sensori di pressione. Per modellare sensori piezoresistivi, il MEMS Module offre diverse interfacce fisiche dedicate alla piezoresistività di solidi o gusci (shell). La combinazione del MEMS Module con lo Structural Mechanics Module rende disponibile un'interfaccia fisica della piezoresistività in gusci sottili.
Meccanica dei solidi
L'interfaccia fisica Meccanica dei solidi è utilizzata per l'analisi degli sforzi interni e l'analisi generale della meccanica lineare e non lineare dei solidi per individuare il valore degli spostamenti. Il MEMS Module comprende modelli di materiali elastici lineari e viscoelastici lineari, integrabili con il Nonlinear Structural Materials Module per includere i modelli di materiali non lineari. È possibile estendere i modelli di materiale con caratteristiche di dilatazione termica, smorzamento e sforzo e deformazione iniziali. Inoltre, sono ammesse diverse fonti di deformazione iniziale, in modo che sia possibile includere i contributi della deformazione anelastica arbitraria provenienti da molteplici fonti fisiche. La descrizione dei materiali elastici nel modulo include materiali isotropi, ortotropi e completamente anisotropi.
Termoelasticità
L'interfaccia fisica Termoelasticità è utilizzata per modellare i materiali termoelastici lineari. Trova il valore dello spostamento della struttura e le deviazioni dalla temperatura e il conseguente scambio termico indotto dall'accoppiamento termoelastico. La termoelasticità è importante per la modellazione di risonatori MEMS con alto fattore di qualità.
Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires
Alexander Frey and Ingo Kuehne Siemens Corporate Technology, Munich, Germany
Siemens is a technology company working with electronics and electrical engineering in industry, energy, and healthcare. Researchers at Siemens Corporate Technology are experimenting with an energy harvesting MEMS (Micro Electro-Mechanical System) generator. In collaboration with Continental AG, they are designing a MEMS device for use as a Tire ...
Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity
Microvisk Technologies, North Wales, UK
Microvisk Technologies develops and manufactures devices for measuring blood viscosity using the power of Micro Electronic Mechanical Systems (MEMS) and a radical new technique stemming from futuristic research on microtechnology. Older hand-held devices on the market work by inducing a chemical reaction that is picked up by electrodes coated ...
Capacitive Pressure Sensor
A capacitive pressure sensor is simulated. This model shows how to simulate the response of the pressure sensor to an applied pressure, and also how to analyze the effects of packing induced stresses on the sensor performance.
Electrostatically Actuated Cantilever
The elastic cantilever beam is one of the elementary structures used in MEMS designs. This model shows the bending of a cantilever beam under an applied electrostatic load. The model solves the deformation of the beam under an applied voltage.
Composite Piezoelectric Transducer
This example shows how to set up a piezoelectric transducer problem following the work of Y. Kagawa and T. Yamabuchi. The composite piezoelectric ultrasonic transducer has a cylindrical geometry that consists of a piezoceramic layer, two aluminum layers, and two adhesive layers. The system applies an AC potential on the electrode surfaces of both ...
Piezoelectric Shear-Actuated Beam
The model performs a static analysis on a piezoelectric actuator based on the movement of a cantilever beam, using the Piezoelectric Devices predefined multiphysics interface. Inspired by work done by V. Piefort and A. Benjeddou, it models a sandwich beam using the shear mode of the piezoelectric material to deflect the tip.
SAW Gas Sensor
A surface acoustic wave (SAW) is an acoustic wave propagating along the surface of a solid material. Its amplitude decays rapidly, often exponentially, through the depth of the material. SAWs are utilized in many kinds of electronic components, including filters, oscillators, and sensors. SAW devices typically apply electrodes to a ...
Microresistor Beam
This example illustrates the ability to couple thermal, electrical, and structural analysis in one model. This particular application moves a beam by passing a current through it; the current generates heat, and the temperature increase leads to displacement through thermal expansion. The model estimates how much current and increase in ...
Thickness Shear Mode Quartz Oscillator
AT cut quartz crystals are widely employed in a range of applications, from oscillators to microbalances. One of the important properties of the AT cut is that the resonant frequency of the crystal is temperature independent to first order. This is desirable in both mass sensing and timing applications. AT cut crystals vibrate in the thickness ...
Prestressed Micromirror
One method of creating spring-like structures or inducing curvature in thin structures is to plate them to substrates that are under the influence of residual stresses. The plating process can control this stress even for similar materials. One such device is the electrostatically controlled micromirror. It is typically quite small, and arrays of ...
Thermal Stresses in a Layered Plate
The thermal stress in a layered plate is studied in this example. A plate consisting of two layers, a coating and a substrate layer is stress and strain free at 800 degrees C. The temperature of the plate is reduced to 150 degrees C and thermal stresses are induced. A third layer, the carrier layer, is added and the thermal stresses in the coating ...
Biased Resonator Models (3D)
An electrostatically actuated MEMS resonator is simulated in the time and frequency domains. The device is driven by an AC + DC bias voltage applied across a parallel plate capacitor. The dependence of the resonant frequency on DC bias is assessed, and frequency domain and transient analyses are performed to investigate the device performance.
