comsol Mems模块COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞

文件名称: comsol Mems模块

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详细说明：COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的 COMSOL 公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。目录 MEMS模块. MEMS器件:物理场和应用 MEMS模块物理场接口指南根据空间维度和研究类型排列的物理场接口教学案例:模拟一个电容式压力传感器. 21 4 MEMS模块 MEMS模块用于工程师和科学家们理解、预测和设计微型系统。在设计周期中使用模拟工具能够增强理解,减少制造原型机,最终用较低的开发费用制造岀合格的产品。用户可以通过MEMS模块来快速准确地预测ⅵEMS器件的结构力学、电学和热学表现。 COMSOL内建的多物理场能力使得模拟不同物理效应耦合在一起的器件变成一件简单的事情,特别适合于处理在MFMS器件设计中广泛遇到的问题。 MEMS模块能够在二维和三维中模拟器件的稳态和动态性能,并且能够结合基于电路的主动和被动器件进行建模。在频域中,功能强大的工具可以用于模拟交流和直流信号或力等耦合驱动的器件。预置的物理场接口,也就是MEMS 模块的物理场接口,处理MEMS传感器和执行器中广泛存在的物理现象。 MFMS模块的物理场接口可用于模拟结构力学、静电、电流、压电、压敏电阻、薄膜流伾流动、传热和电路。这些物理场接口也能够任意耦合在一起来求解多物理场问题,并且一系列预置耦合乜可用于MEMS物理场接口,包括机电(耦合静电力和结构力学)、焦耳热、焦耳热和热膨胀,以及流固耦合(耦合流体流动和结构力学)。对每个MEMS物理场接口,底层的物理原理采用偏微分方程的形式来表达, 以及相应的初始条件和边界条件。 COMSOL的设计通过给用户为每个特征提供求解的方程和对底层方程组的完全访问来强调物理场:同时也具有极大的灵活性来增加用户定义的方程和表达式到方程组。例如,模拟结构中的焦耳热, 其中的材料具有随温度变化的弹性属性,只需要简单地输入以温度的函数形式表征的弹性常数即可,不需要编写脚本或代码。当 COMSOL编译方程时,这些用户定义的表达式生成的复杂耦合自动包含在方程组中,然后这些方程使用有限元方法和一组工业级求解器来求解。求解完成后,就可以使用大量的后处理工具分析得到的数据,自动生成预置的绘图,显示器件的响应。 COMSOL 提供了计算和可视化各种物理量的灵活性,包括诸如温度、电场或应力张量 (通过方便的菜单来使用)等预置因变量,或者用户定义的任意表达式。 5 模拟一个MFMS器件的步骤是,先在软件中定义几何(或从一个CAD文件或软件中导入)。然后选择恰当的材料,增加一个合适的MEMS物理场接口。在物理场接口内建立初始条件和边界条件。下一步,定义网格和选择求解器。最后通过广泛的后处理工具可视化结果。所有这些步骤都可以在 COMSOL.图形用户界面访问 MEMS器件:物理场和应用 MEMS器件的微小尺寸在控制其工作的物理过程上有着重要的效应,MEMS 物理场接口可以用来模拟微尺度下占主要地位的重要物理效应。通常,当器件的长庋尺度(L)减小时,和L有关的物理效应的比例决定了它的相对重要性。产生刚体固定加速度所需的惯性力是体积比例关系,即I3,其他力与惯性力相比的比例对MEMS器件有重要的影响。例如体积等效弹簣常数的比例是L,因此当系统尺寸减少时,弹簧刚度减少得比系统质量更慢,导致更小的器件有更高的谐振频率(谐振频率的比例是L)。这意味着微机械系统通常比宏观系统有更高的工作频率和更快的响应时间。当器件尺寸减小时,静电力的比例不变(例如,施加固定电压的平行板之间的静电力的比例是L)。此外,静电执行器不消耗直流功率,可以使用与标准半导体制造工艺一致的方法制造,因此许多MEMS器件利用静电驱动。下图显示了一个静电驱动MEMS谐振器的振型,通过施加的直流偏压来运行曲线图显示当施加的电势增大时,谐振频率减小;这是由耦合机电系统的软化所导致。器件的小尺寸导致即使对一个简单的弯曲模式,也具有MHz谐振频率。此外,电磁力不变的比例可以使用有效电容的驱动方式,这在宏观尺寸上是不可能实现的。 8.1 7. 7.7 7.6 7.5 日 COMSOL Solution 7,3 Experiment: Bannon et al 7,2 10 DC Bias (v) 当器件尺寸减小时,压电力的比例也很合适(施加恒定电压产生的力的比例是 L)。此外,压电传感器和执行器主要表现出线性,且在工作过程中不消耗直流功率。压电比较难与标准半导体工艺集成,但随着市场上的商业成功已经取得了重大进步(例如FBAR滤波器)。石英振子可以被认为是目前生产量最大的MEMS器件,每年制造的器件超过1亿个。虽然传统上并不认为它属于 MEMS(石英工业远早于该术语的创造),许多这类器件有mm至亚mm尺寸,通过平板印刷来定义。此外,一些石英产品现在标注为MFMS器件。下图显示了厚度方向剪切石英振荡器的机械响应,还有一张图显示了串联电容 (Cs)的频率响应。串联电容常用于调整或吸合石英振荡器的谐振。 8 10-10 40 Cs=le-13. Point=12 Cs=4e-13 Point=12 30 Cs=le-12 Point=12 15 050505 1,6209×10 20 25 30 5 40 5.11 Frequency(Hz) Total Displacement at 5.11 MHz(Cs=0.lpF) 热力的比例是I,假设力由固定的温度变化产生。该比例与惯性力相比仍然有利,而且热时间尺度的比例也很合适(L2),使得热执行器在微尺度上更快 (热执行器通常比电容或压电执行器的速度慢)。热执行器也很容易与半导体工艺集成,虽然通常消袛大量功率,因此在商业应用上有所限制。热效应在许多商用MEMS技术的制造中非常重要,因为薄镀层中的热应力对许多应用很关键。下图显示了一个变形的焦耳热执行器内的温度。 ▲544,49 500 450 400 300 293.15 流控MEMS器件,或称为微流控器件,代表了一个越来越重要的MEMS领域, COMSOL提供了一个单独的微流体模块来专门处理这些应用。虽然如此 MEMS模块也包括了重要的微流体功能来模拟MEMS结构和流体的相互作用。一个有巨大吸引力的领或是薄膜阻尼,通常阻尼力的比例是L,对于 MFMS器件往往都很重要,导致对真空封装的需求。下图显示了一个加速度计表面上的压力,该压力来自加速度计和封装之间稀薄气体薄层的压缩(封装未在图上显示)。 10

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