MEMSCAD辅助分析和设计修改

574章MEMSCAD关心分析设计MEMS作为型器件，其设计已不再是传统意义上的设计，而是包含了工作机理的探究和器件构造的开发。MEMS器件的设计需要综合多学科进展理论分析，这大大增加了设计参数选择的难度，常规的分析计算方法已无法应付设计需求。所幸的是当今计算机技术的进步使得CAD值求解方法来分析和推测器件的性能，对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能，从MEMS器件构造和工艺进展计算机模拟和设计优化。国外在20世纪90年月初就争论出了用于硅压力传感器设计的 MEMSCAD软件(CAEMEMS)。在MEMS的工艺模拟、器件的建模、仿真分析以及设计优化方面，90年月中期IntelliSense公司和MicrocosmTechnologies公司已开头供给商业专业软件IntelliSuite和MEMCA可用于三维MEMS的工艺和器件模拟及设计优化其中Microcosm开发的MEMS计算机关心设计分析集成工具MEMCAD现已进展到4.5版本。Illinois大学开发的ACES软件可用于硅湿法腐蚀、砷化嫁湿法腐蚀和RIE腐蚀工艺的模拟。应用ACES可依据设计的幅员连网上供给下载。除了专业软件外，很多有限元分析软件已用于MEMS器件的建模、分析和模拟，其中ANSYS作为大型有限元分析软件在MEMS器件的设计和模拟方面的成功应用，已得到MEMS设计者的青睐。ANSYS软件包包含了力、热、声、流体、电、电磁等分析模块,其耦合场分析局部还包含了MEMS 器件常用的压电分析。其流体分析模块ANSYS/FLOTRAN已成为国际默认的MEMS流体模拟分析标准软件鉴于MEMS计算机设计和模拟技术的应用需求，很多通用软件也已应用于MEMS设计和模拟，如AutoCAD用于MEMS构造设计和建模，TannerToolsPro为MEMS供给幅员设计，Matlab用于模拟数据的处理和图形化，Cadence用于接口电路的设计模拟等。一些软件还为MEMS应用进展了改进,最近Analogy和MicrocosmTechnologies宣布共同开发AutoMM/Saber软件,该软件将为MEMS计算机模拟供给从 EDA(electronicdesignautomation)到MDA(mechanicaldesignautomation)的桥梁,Microcosm的3DMEMCAD和Analogy的MASTHDL(hardwaredescription结合而成的Saber软件已经为AnalogDevices的ADXL系列汽车气囊加速度传感器供给了成功的模拟。由于MEMS软件工具较为完善,计算机模拟和设计优化能够大大缩短型MEMS器件的研制周期、有效地削减研制本钱和提高器件的性能,MEMS器件的研制中,计算机设计和模拟技术目前已被国外广泛承受，并且有关争论成果常常在国外刊物上报道。近年来，随着MEMS技术的迅猛进展，尤其在传感器、微流体、光通信和射频无线通信方面的广泛应用，很多企业、争论机构为避开实际设计中的盲目性，对计算机关心设计赐予了相当家，它针对MEMS设计过程中需要迫切解决的一些问题，如微机械所特有的三维加工与集成电路工艺兼容性、系统级器件级的仿真分析等，都给出了较好的计算机关心设计手段。与国外相比，我国的很多MEMS争论人员对承受MEMS器件设计和模拟的必要性生疏缺乏,只有少数高校和争论所开展了这方面的工作,有关争论成果的报道很少。这种状况对我国MEMS技术的进展格外不利,为了加速我国MEMS技术的进展,必需加强MEMS争论工作者对承受MEMSCAD技术的重视。本章以常用的ANSYS、CoventorWare软件为例，简要介绍其特点、功能，并举例说明其简洁用法。ANSYS的主要技术特点ANSYS是由美国ANSYS公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件ISO9001质量认证的分析设计类软件。该软件是美国机械工程师协会ASME、美国核安全局NQ〕的其他有限元软件相比，ANSYS有明显的优势及突破。ANSYS算技术的有限元软件，它支持从微机、工作站、大型机直至巨型机等全部硬件平台，并可与CAD软件集成并有交换数据的接口，ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级，同时，国际上也公认其适于MEMS器件的模拟分析，这是其他有限元分析软件所无法比较的。ANSYS可广泛用于核工业、机械制造、电子、土木工程、工、日用家电等一般工业及科学争论领域。ANSYS是国际公认的适用于MEMS模拟分析的软件工具。其主要分析功能包括以下几个方面。〔包括模态和瞬态力学分析，复合材料分析，疲乏及寿命估算分析，超弹性材料的分析等。热分析包括稳态温度场分析，瞬态温度场分析，相变分析，辐射分析等。析，多动力学分析等。与外流分析等。电磁场分析包括电路分析，静磁场分析，变磁场分析，高频电磁场分析等。在容器内的流体介质中传播分析等。多场耦合分析包括电场-构造分析，热-应力分析，磁-热分析，流体-构造分析，流体流淌-热分析，电-磁-热-流体-应力分析等。其他如设计灵敏度及优化分析，子模型及子构造分析等。ANSYS几个关心处理器如设计优化器等。前处理器ANSYS程序供给了一个强大的建模及网格划分工具，使构造有限元模型更加便利；它承受直接建模和实体建模、自顶向下与自底向上建模相结合的建模方式；具有多达数十种的体素库，可以模拟任意简单的几ANSYS求解精度，其网格划分类型包括自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分及自适应网格划分。求解器ANSYS程序供给了数十种施加载荷的方式，同时，ANSYS程序也供给了丰富的求解器，便于不同问题的求解分析。后处理器后处理器包括通用后处理器〔POST1〕和时间历程后处理器〔POST26，用于猎取并检查求解结果，ANSYS的后处理阶段是与前处理及求解阶段严密结合在一起的。在后处理中，10倍于一般图形功能的速度显示外表信息和结果，结果可以承受彩色等值线显示，并可以制作变形及动画显示。同时，结果可以列表输出，便利对结果进展分析。图形可联机输出到现实设备上、脱机WORD文件中。ANSYS使用中几个应留意的问题单位制ANSYS软件使用的单位制包括国际单位制〔S，厘米克秒制〔cgs、英寸制〔bin英尺制〔bft、自定义单位制〔user。在使用软件分析问题时，要保证输入的全部数据都是使用同一单位制里的单位。单位制的定义只能通过命令方式实现，缺省为国际单位制。材料库一点使用阅历。可以建立自己的材料库，这将使分析更加便利，但要留意单位制的问题。坐标系表、显示或在通用后处理器操作中将节点或单元结果转换到一个特定的坐标系中。此外，ANSYS可以定义工作面，工作面的功能较强，利用好工作面将便利建模。dbematerr结果文件，rmg文件为电磁场分析结果文件，rth文件为热分析结果文件，果文件一般不要删除。载荷节点载荷节点载荷图4-1 关于节点和单元的图例ANSYS的分析步骤ANSYS分析过程中三个主要的分析步骤。〔节点及4-1。施加载荷进展求解，包括施加载荷及载荷选项、求解。查看结果，包括观察分析结果、检验结果〔分析是否正确。微型电磁继电器受力及磁场分布的ANSYS模拟活动电极(悬臂梁)的受力分析但是微继电器由于加工工艺的限制，其驱动线圈通常为平面构造，其活动电极〔衔铁〕为微细悬臂梁构造，它的漏磁与一般继电器相比较要严峻些。只有合理选用材料，适中选用线圈匝数，正确设计悬臂梁参数，才能保证其动作。在进展加工工艺之前，很有必要从定性到定量把握其动作特性。问题描述参考微型电磁继电器活动电极的模型，使用ANSYS4-24-2悬臂梁模型示意图求解在力P作用下的悬臂梁的变样子况，设定条件如下：length=500μmdepth =5μmwidth =500μmload =10μNE =21×106psi①(Ni)其中，length表示悬臂梁的长度；depth表示厚度；width表示宽度；load表示所施加的10μN左右；E表示ANSYS软件进展悬臂梁受力分析的全部仿真过程。并将数值解与用弹性梁理论计算的解析解进展比照。创立有限元模型ANSYSANSYSbeam。设定分析模块使用“Preferences”对话框选择分析模块，以便于对菜单进展过滤。假设不进展选择，全部的分析模块的菜单都将显示出来。例如，这里选择了构造模块，那么全部热、电磁、流体的菜单都将被过滤掉，使菜单更简洁明白。具体过程：a.MainMenu：Preference；b.选择Structural；c.OK。创立根本模型〔置。而后将创立的根本模型存储在ANSYS数据库中。ANSYS数据库是当用户在建模求解时ANSYSbeam，因此存beam.db的文件中。常常存储数据库文件名是必要的。这样在进展了误操作后，可以恢复上次存储的数据库文件。存储及恢复操作，可以点取工具条，也可以选择菜单。创立好几何模型以后，就要预备单元类型、实常数、材料属性，然后划分网格。图4-3 悬臂梁的有限元模型设定单元类型相应选项对于任何分析，必需在单元类型库中选择一个或几个适合分析的单元类型。单元类型打算了附加的自由度〔位移、转角、温度等〕。很多单元还要设置一些单元的选项，诸如单元BEAM3默认单元选项即可。定义实常数有些单元的几何特性，不能仅用其节点的位置充分表示出来，需要供给一些实常数来补充几何信息。典型的实常数有壳单元的厚度、梁单元的横截面积等。某些单元类型所需要的AREA2.5AREA=width×depth)IZZ5.21×10-21m4[inertiaz=(width×depth3)/12]；在HEIGHT5×10-6m〔梁的高度〕。定义材料属性材料属性是与几何模型无关的本构属性，如杨氏模量、密度等。虽然材料属性并不与单对每种单元类型列出了相应的材料类型。依据不同的应用，材料属性可以是线性的或者非线性的。与单元类型和实常数相像，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号。对于本问题，只需定义一种材料，这种材料只需定义一个材料属性——杨氏模量21×106psi。在划分网格之前，用一表示几何模型的文件名保存数据库文件。一旦需要返回重划分ANSYS数据库文件另存名为beamgeom.db的文件。对几何模型划分网格MainMenu:Preprocessor>Meshtool；选择mesh；line；OK；beammesh.db。①①psi为非法定单位，1psi＝6.89476×103Pa，下同施加载荷进展求解施加载荷及约束4-4所示。图4-4 左侧节点加约束条件拾取最右侧的节点加载荷，如图4-5所示。图4-5 右侧节点加载荷求解任何求解器都能很快得到结果，这里使用默认的前求解器进展求解。查看结果进入通用后处理读取分析结果步的整个模型的结果。本问题只用一个载荷步。命令为：MainMenu：GeneralPostproc>-ReadResults->FirstSet变形显示4-6P(为梁的长度，E为杨氏弹性模量，I为惯性扭矩)，不难觉察，理论值与数值解全都。图4-6 悬臂梁变形示意图微继电器电磁场的模拟计算创立适宜的有限元模型，而且分析问题也有肯定难度。所以最好能建立一个二维构造的模型。首先看下面的一个问题。有限长导线和无限长导线所产生的电磁场我们将比较具体地给出两者的差异，并给出一个所推导的结论，为下一步建立模型做预备。(a)

有限长导线的状况

(b)无限长导线的状况4-7两种导线长时的磁场计算示意图在有限长直导线的状况下[4.7(a)]，P点的磁感应强度为：IB 0 (sinsi

) (4-1)P 4R 1 2在无限长直导线的状况下[图4.7(b)]，P点的磁感应强度为：IB 0 P 2R

(4-2)设线圈外形是方形，因此给出图4-8的模型。IYIYIP(x,y)I0IXLILI P(x,y) I〔a〕有限长模型

04-8两种线圈模型

XI L〔b〕无限长模型DP〔x,y〕B1为BB B1 1L 1L1 2

B B1L 1L3

(4-3)L1段为例，依据式(4-1)F(x,y,h)xyh，有B

sinsin

(4-4)1L1

4x2

h21/2 1 2其中x2yx2y2h21

，sin 2

(4-5)DyxDyx2Dy2h2令f(,y)(xD)2yD2h21/2则

(4-6)I

B 0 {f1 4

4748b(4-2，P〔x，y〕B2为B2(4-2)有

B B2L 2L1

B B2L 2L3 4

(4-8)B 0I

(4-9)

2x2

h21/2所以IB 0

[f(xD,D)f(D,yD)f(x,D)f(D,y)] (4-10)2 2B这时，我们将二者进展比较，令z

1=g〔x,y〕=k(比例系数)。从上面的式子中可以发B2现，x,y具有轮换对称性,明显这是由方线圈的对称性打算的。 k值到底在区间C:{(x,y)|0<x<D,0<y<D}上是如何分布的呢?首先要答复的问题莫过于k的范围。计算说明，当，我们可以留意到无论是有限长线圈还是无限长线圈，二者所产生的电磁力都是在一个数量级内。因此，用无限长线圈代替有限长线圈来进展仿真分析，从力的大小上不会产生太大的影响。线圈的有限元模型4-94-9微继电器的有限元模型这里要留意到的是，由于建立二维模型的局限性，实际上线圈的构造并不是真正的方形外形，而是由无限长的通电直导线来代替。这样虽然不会影响磁场的方向，但对磁场的强弱会产生很大的影响。因此，需要用上面提到的函数g〔x,y〕进展修正。即取B1的最小值0.5B2生的电磁场的大小。又由于上述模型是纵向剖面图，所以考虑到方形线圈的构造，我们还得在此根底上乘以2。因此，可以近似地认为此模型产生的电磁场的大小就是我们所要分析的方形线圈产生的电磁场强度。至此，已经建立了一个二维的微继电器的有限元模型。下面主要围绕这个模型，来利用ANSYS进展仿真分析。微型电磁继电器的ANSYS仿真分析结果ANSYS仿真分析结果，这里创立有限元模型、施加载荷以及求解过程与前面描述的悬臂梁受力分析的例子根本一样，就不在赘述。1) 微继电器悬臂梁所受磁力的分析给出了当给每匝线圈施加电流载荷时，所产生的二维磁力线的分布状况。此时100mA。另外，由于考虑到实际模型是方形线圈构造，所以当给两侧的通电导线施加电流载荷时要考虑方向的问题，即假设给左侧的导线施加电流的方向是“×”时，那么右侧的是“”。从仿真分析的结果来看，越靠近线圈磁力线越密，4-10比较真实地给出了通电线圈的磁力线的分布状况。(b) 底部有镍层时的磁力线分布4-10线圈通电后所产生的磁力线梁的四周，上部磁力线的分布比下部要密集得多。另外，从仿真结果来看，在其他条件一样6倍左右，这就说明磁性层的F。4-2为不同电流密度的状况下，悬臂梁所受XY轴向受的力是不同YXX轴向受到的电磁力可以无视Y轴向受到的电磁FI2。因此，当电流增大时，电磁力F会有较大的增长，这样有利于活动电极的动作。但是，需要留意的是电流增加时电磁线圈的功率也会增大。4-2电流变化时悬臂梁所受的电磁力200.18282×10-40.83915×10-3350.54105×10-40.26895×10-2500.11484×10-30.53735×10-2700.21913×10-30.10404×10-11000.46207×10-30.21622×10-11500.47762×10-30.47337×10-12000.18483×10-20.86485×10-1仿真结果/μN电流强度/mAF仿真结果/μN电流强度/mAFxFy4-12线圈四周磁场的分布图ANSYS仿真分析的一些阅历ANSYS进展有限元分析大致可分为：选择问题类型型。定义物性并绘制图形ANSYS度，人为地将左半部电流和右半部电流分开输入。为了更准确地描述线圈产生的磁场，这里也为空气建立了模型。应当指出由于有限元在剖分〔划分网格〕时，要求对边界上的单元不ANSYS的负担，但从仿真准确性的角度来看这种负担还是值得的。剖分过程剖分是进展剖分插值的根底，也是有限元法的核心内容。所谓剖分实际是指将求解区域ANSYS因而剖分的敏捷性较大，简洁做到单元剖分疏密结合，并可较好地适应边界外形。依据一般的原则，ANSYS剖分时有以下几点规章。三角形的顶点，必需同时是相邻三角形的顶点。边界或内部介质分界限为曲线时，用折线靠近曲线线段。假设边界上有不同的边界条件，则三角形的顶点在不同边界的交点上。对边界上的单元，不要使两条边同时落在其次条边界上。单元由大到小应逐步过渡。ANSYS中，软件调用“智能划分”模块来自动完成剖分。但剖分的细度是由用户用“BASICSIZE”菜单定义的，这里应留意的是假设该项选取的数值过小简洁造成软件崩溃，56。至于崩溃死机的缘由，可能主要是剖分过细，导致内存〔含虚存〕急剧削减，造成地址溢出。定义受力组件，界定边界条件ANSYS只给受力组件分析受力，因而需要单独定义受力组件。边界条件是磁场分析的重要局部，因而ANSYS可以自动的为受力组件加边界条件。所要做的只是给空气模型加响不大。纪录结果，分析数据力线图〕以及一些相关数据。CoventorWare的主要技术特点CoventorWareCoventorMEMCADFlumeCAD的根底上，2023年正式推出的一款功能强大的具有系统级、器件级的功能的MEMS专用软件,其功能掩盖MEMSCoventorWare因其强大的软件模块功能、丰富的材料及工艺数据库、易于使用的软件操作并与各著名EDA软件均有完善数据接口等特点给工程设计人员带来极ARCHITECTDESIGNERANALYZER、INTEGRATOR四个模块。ARCHITECT模块供给了独有的PEM(机电)、OPTICAL(光学)、流体)MEMS器件的构造，并结合四周的电路进展系统级的机、电、光、液、热、磁等能量域的分析，找到最优的构造、尺寸、材料等设计参数，从而生成器件的幅员和工艺文件；DESIGNER模块可进展幅员设计、生成器件三维模型、划分网络单元；ANALYZER模块可承受FEM(有限元法)、BEM(边界元法)、BPM(光速传播法)、FDM(有限差分法)、VOF(体积函数法)等分析方法进展构造分析、电磁场分析、压电分析、热析结果中提取MEMSARCHITECT整个设计。CoventorWare分析的根本步骤CoventorWare分析的根本步骤包括：①定义材料属性；②生成工艺流程；③生成二维幅员；④通过二维幅员生成三维模型；⑤划分网格生成有限元模型；⑥设定边界条件、加载；⑦求解；⑧提取、查看结果。以下我们以实例介绍该软件的整个仿真过程。悬臂梁与硅基底间电容的计算和悬臂梁的受力分析电压问题描述电压悬臂梁悬臂梁10+++++++0.580基底(a)1V电压压强悬臂梁(b)基.001MPa压强悬臂梁(b)基.001MPa的压强4-12悬臂梁模型示意图(单位：μm)在两者间施加1V电压，求其电容及电量在悬臂梁上施加0.001MPa的压强，求悬臂梁的应力和变形参数条件如下：硅基底杨氏弹性模量E＝1.69MPa，泊松比P＝0.3，密度ρ＝2.5×厚)4-12所示。工艺过程(绝缘层)；(BPSG)作为牺牲层(用于沉积铝)；(anchor)将要沉积的位置；承受等边沉积法沉积铝层；和悬臂梁(beam)局部，刻蚀其余的铝层；BPSG牺牲层。具体设计过程Directory、SharedDirectory。只需设定工作名目，下面两个名目是默认的，系统会自动将它设定到相应的工作路