Simulieren Sie mikroelektromechanische Systeme mit dem MEMS Module

Eine Detailansicht eines Resonatormodells, das die Verformung und das elektrische Potential zeigt.

Eine Detailansicht eines oberflächenbearbeiteten Beschleunigungssensors, die das elektrische Potential zeigt.

Eine Detailansicht des Modells eines piezoresistiven Drucksensors, das die Spannung und das elektrische Potential zeigt.

Eine Detailansicht des Modells einer piezoelektrischen Mikropumpe, die das Spannungs- und Strömungsfeld zeigt.

Simulieren Sie MEMS-Bauteile und eine Vielzahl von Multiphysik-Interaktionen

Das MEMS Module wird für die Simulation von Quarzoszillatoren und vielen anderen Arten von piezoelektrischen Geräten verwendet. Piezoelektrische Simulationen können sowohl Vorspannung als auch nichtlineare Effekte beinhalten. Mit dem MEMS Module können Sie auch die Auswirkungen der Wärmeausdehnung in Aktoren und Sensoren modellieren.

Neben der Modellierung gängiger multiphysikalischer Phänomene ist das MEMS Module in der Lage, eine Reihe komplizierter multiphysikalischer Interaktionen zu modellieren, die für die genaue Simulation von MEMS-Bauteilen wichtig sind. Dazu gehören hygroskopische Quellung, thermoelastische und Quetschfilm-Dämpfung, bidirektionale Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) sowie piezoresistive, elektrostriktive und ferroelektroelastische Effekte (einschließlich Hysterese).

Das MEMS Module kann auch mit anderen COMSOL Multiphysics^® Add-On Modulen verwendet werden. Wenn es beispielsweise mit dem AC/DC Module kombiniert wird, können Sie magnetostriktive Geräte analysieren. Die Kombination mit dem Structural Mechanics Module ermöglicht die Schalenmodellierung in MEMS-Geräten, und mit dem Microfluidics Module erhalten Sie zusätzliche Werkzeuge für die Analyse biomedizinischer MEMS-Geräte mit Schwerpunkt auf der Strömung.

Was Sie mit dem MEMS Module modellieren können

Analysieren Sie eine Vielzahl von MEMS-Geräten, die Wechselwirkungen mehrerer physikalischer Phänomene unterliegen.

Eine Detailansicht eines Aktuatormodells, das die elektrothermischen Ergebnisse zeigt.

Aktuatoren

Simulieren Sie eine breite Palette von Aktoren, darunter elektrothermische, elektrostatische und piezoelektrische Aktoren.

Eine Detailansicht eines Drucksensormodells, das die Spannung zeigt.

Sensoren

Prognostizieren Sie das Verhalten von kapazitiven, piezoelektrischen und piezoresistiven Sensoren.

Eine Detailansicht eines Gyroskopmodells, das die Auslenkung anzeigt.

Gyroskope und Beschleunigungsmesser

Analysieren Sie die elektrostatisch-mechanische oder piezoelektrische Performance von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren.

Eine Detailansicht von zwei Stimmgabelmodellen.

Piezoelektrische Geräte

Modellieren Sie piezoelektrische Geräte wie Energy Harvester, Wandler, Aktoren und Gyroskope.

Eine Detailansicht eines Oszillatormodells, das die mechanische Reaktion zeigt.

Quarz-Oszillatoren

Berechnen Sie den Frequenzgang von piezoelektrischen Kristalloszillatoren mit beliebigen Schnitten und berücksichtigen Sie die Wärmeabgabe.

Eine Detailansicht eines vorgespannten Resonatormodells zeigt die Spannung.

Elektrostatisch betätigte Resonatoren

Berechnen Sie die Resonanzfrequenzen, die Anzugsspannung, den Q-Faktor und die Auswirkungen der verschiedenen Dämpfungsmodi von MEMS-Resonatoren.

Eine Detailansicht eines piezoelektrischen Ventils, die die Spannung zeigt.

Fluidtechnische Geräte

Erkunden Sie Designs von Mikropumpen, Mikroventilen und mikrofluidischen Sensoren.

Eine 2D-Darstellung eines Ausbreitungsdiagramms.

Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonatoren

Berechnen Sie den Frequenzgang und die Dispersionsdiagramme von BAW-Geräten.

Führen Sie vielfältige strukturelle Analysen durch

Das MEMS Module übernimmt die Festkörpermechanik-Funktionen des Structural Mechanics Module und bietet Optionen für die Modellierung der Festkörpermechanik in 3D, 2D und 2D-Axialsymmetrie. Analysieren Sie praktisch jedes Phänomen im Zusammenhang mit der Mechanik auf der Mikroskala, einschließlich Kontakt, Reibung, Zentrifugal-, Coriolis- und Eulerkräfte. Zur Modellierung nichtlinearer Materialien, einschließlich hyperelastischer Materialien, können Sie das MEMS Module mit dem Nonlinear Structural Materials Module kombinieren.

Festkörpermechanik-Analysen im MEMS Module

Statisch
Eigenfrequenz
- Ungedämpft
- Gedämpft
- Vorgespannt
Transient
- Direkt oder Modenüberlagerung
Frequenzantwort
- Direkt oder Modenüberlagerung
- Vorgespannt
Geometrische Nichtlinearität und große Verformungen
Mechanischer Kontakt
Knickung
Antwortspektrum
Zufallsschwingungen
Component Mode Synthesis (CMS)

Verallgemeinerte Analysen im MEMS Module

Eine 1D-Darstellung einer parametrischen Analyse mit der Auslenkung auf der y-Achse und der Kraftrichtung auf der x-Achse.

Parametrische Analyse

Berechnen Sie ein Modell mit mehreren Eingabeparametern, um die Ergebnisse zu vergleichen.

Eine Detailansicht eines Tesla-Mikroventilmodells zeigt das Strömungsfeld.

Optimierung

Optimieren Sie geometrische Abmessungen, Form, Topologie und andere Größen mit dem Optimization Module.

Ein 2D Sobol-Indexdiagramm mit sieben Parametern.

Quantifizierung von Unsicherheiten

Verstehen Sie mit dem Uncertainty Quantification Module die Auswirkungen von Modellempfindlichkeit, Unsicherheit und Zuverlässigkeit.

Features und Funktionalität im MEMS Module

Das MEMS Module enthält spezielle Features und Funktionalitäten für die Modellierung von MEMS-Bauteilen.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Piezoelectric Effect und einem Oszillatormodell im Grafikfenster.

Integrierte Interfaces und Ergebnisse

Das MEMS Module bietet integrierte Interfaces, die auf die Art des Geräts und der multiphysikalischen Interaktion, die Sie analysieren, zugeschnitten sind. Diese Interfaces definieren Sätze von Gebietsgleichungen, Rand- und Anfangsbedingungen, vordefinierte Netze und Studien mit Lösereinstellungen sowie vordefinierte Plots und abgeleitete Werte. Auf alle diese Features können Sie innerhalb der COMSOL Multiphysics^® Umgebung zugreifen.

Werte für das elektrische Feld, Spannung, Dehnung, Qualitätsfaktoren, Dämpfung, Resonanzfrequenzen, Dissipation und Streuparameter (S-Parameter) sowie Werte für Kapazitäts-, Admittanz- und Impedanzmatrizen können berechnet und in das Touchstone-Dateiformat exportiert werden. Sie können jeden mathematischen Ausdruck in Bezug auf die berechneten Größen darstellen oder auswerten.

Elektrostatik

Sie können die kapazitiven Effekte in MEMS-Bauteilen mit elektrostatischen Berechnungen analysieren, bei denen die Felder durch das elektrische Potential und die Ladungsverteilung bestimmt werden. Sowohl die Finite-Elemente-Methode (FEM) als auch die Boundary-Elemente-Methode (BEM) stehen für die Lösung des elektrischen Potentials zur Verfügung und können zu einer hybriden Boundary-Elemente-Finite-Elemente-Methode (BEM-FEM) kombiniert werden. Auf der Grundlage des berechneten Potentialfeldes kann eine Reihe von Größen berechnet werden, wie z.B. die Kapazitätsmatrizen, elektrische Felder, Ladungsdichte und elektrostatische Energie.

Die Elektrostatik-Funktionalität kann mit eingebauten Optionen für Multiphysikeffekte wie Piezoelektrizität, Elektrostriktion und Ferroelektrizität erweitert werden. Debye-Dispersions- und dielektrische Verlustmaterialmodelle sind sowohl für die Analyse im Frequenzbereich als auch für die zeitabhängige Analyse verfügbar.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Fluid-Structure Interaction und einem Mikropumpenmodell im Grafikfenster.

Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Das Multiphysik-Interface Fluid-Structure Interaction (FSI) im MEMS Module kombiniert die Strömung von Fluiden mit der Festkörpermechanik, um die bidirektionalen Wechselwirkungen zwischen Fluiden und festen Strukturen zu erfassen. Die Strömung kann entweder laminar oder turbulent sein. Um spezifische mikrofluidische Phänomene einzubeziehen, können Sie das MEMS Module mit dem Microfluidics Module kombinieren. Turbulente Strömungen erfordern das CFD Module oder das Heat Transfer Module. Das CFD Module ermöglicht auch die Kopplung von Zweiphasen- und Dreiphasenströmungen mit der Festkörpermechanik.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Piezoresistive Effect, Boundary Currents und einem piezoresistiven Sensormodell im Grafikfenster.

Piezoresistivität

Der piezoresistive Effekt bezieht sich auf die Veränderung der Leitfähigkeit eines Materials als Reaktion auf eine angewandte Last. Die einfache Integration kleiner Piezowiderstände in Standard-Halbleiterprozesse sowie die weitgehend lineare Reaktion des Sensors haben diese Technologie in der Drucksensorindustrie besonders wichtig gemacht. Für die Modellierung von piezoresistiven Sensoren bietet das MEMS Module mehrere spezielle Interfaces für die Piezoresistivität in Festkörpern oder dünnen Schichten. Wenn Sie das MEMS Module mit dem Structural Mechanics Module kombinieren, steht Ihnen ein Benutzerinterface für die Piezoresistivität in dünnen Schichten zur Verfügung.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Thermal Expansion und einem Resonatormodell im Grafikfenster.

Thermomechanische Kopplungen

Das Interface Thermoelasticity kombiniert die Interfaces Solid Mechanics und Heat Transfer in Solids, das Kopplungsterme für thermoelastische Dämpfung enthält. Die thermoelastische Dämpfung ist besonders wichtig bei kleineren MEMS-Strukturen, bei denen die Bereiche der Kompression und der Ausdehnung eng beieinander liegen. Die zyklische Verformung von Resonatoren erzeugt lokale Temperaturschwankungen und eine thermische Ausdehnung des Materials, die sich als Dämpfung bemerkbar macht. Die thermoelastischen Kopplungsterme führen dazu, dass das Material unter Spannung abgekühlt und unter Kompression erwärmt wird. Der daraus resultierende irreversible Wärmetransport zwischen warmen und kalten Regionen des Festkörpers führt zu mechanischen Verlusten, die auf mikroskopischer Ebene von Bedeutung sein können.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Eigenfrequenz-Knoten und dem Resonatormodell im Grafikfenster.

Dämpfung in MEMS-Resonatoren

Mit dem MEMS Module können eine Reihe verschiedener Dämpfungsphänomene modelliert werden, darunter die Quetschfilmdämpfung, isotrope und anisotrope Verlustfaktoren für dielektrische, elastische und piezoelektrische Materialien sowie die thermoelastische Dämpfung. Für die Berechnung der Ankerdämpfung bieten Perfecty Matched Layers (PMLs) eine dem Stand der Technik entsprechende Absorption von ausgehenden elastischen Wellen sowohl für elastische als auch für piezoelektrische Festkörper. Sie können eine vollständig gekoppelte Eigenfrequenz-, Frequenz-Antwort- oder transiente Analyse durchführen.

Wenn Sie das MEMS Module mit dem Acoustics Module kombinieren, können Sie die Auswirkungen der akustischen Dämpfung durch ein umgebendes Fluid einbeziehen, einschließlich der akustischen Druckdämpfung und der thermoviskosen akustischen Dämpfung.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Terminal und einem MEMS-Resonator im Grafikfenster.

Bauteile unter Vorbelastung

Das MEMS Module kann verwendet werden, um Geräte zu untersuchen, die durch mechanische und thermische Belastungen vorgespannt sind. Die integrierte Analyse der harmonischen Störung ermöglicht die Berechnung der Frequenzantwort sowie der Eigenfrequenzen und Eigenmoden solcher Modelle.

Auf ähnliche Weise können auch elektrostatisch vorgespannte MEMS-Resonatoren, einschließlich mikromechanischer Filter, analysiert werden. Da diese Geräte beispielsweise durch eine Gleichspannung vorgespannt und durch einen Wechselstrom angetrieben werden, können Sie analysieren, wie Dämpfungs- und Vorspannungseffekte eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen verursachen.

Eine Detailansicht des Model Builders mit hervorgehobenen Knoten für die thermische Ausdehnung und die elektromagnetische Erwärmung sowie drei Aktuatorergebnissen im Grafikfenster.

Joulesche Erwärmung und thermische Spannung

Sie können thermische, elektrische und strukturelle Multiphysikeffekte einfach kombinieren. Vordefinierte Multiphysik-Kopplungen für Joulesche Erwärmung und thermische Ausdehnung ermöglichen es Ihnen, die Leitung von elektrischem Strom in einem Bauteil, die anschließende elektrische Erwärmung durch die ohmschen Verluste und die durch das Temperaturfeld induzierten thermischen Spannungen zu modellieren. Typische Anwendungen sind thermische Aktuatoren und Sicherungen. Alle Materialeigenschaften können nichtlinear und temperaturabhängig sein. Die Modellierung von mechanischen Kontakten kann so erweitert werden, dass der Kontaktwiderstand sowohl für Wärme als auch für elektrische Ströme berücksichtigt wird. Dünne leitende Schichten können mit speziellen Werkzeugen für geschichtete dünne Strukturen modelliert werden.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Piezoelectric Effect und einem Energy Harvester-Modell in den Grafikfenstern.

Piezoelektrizität

Einzigartig fortschrittliche piezoelektrische Modellierungstools ermöglichen statische, frequenzbereichsbezogene, gekoppelte Eigenfrequenz- und Zeitbereichssimulationen. Bei den Designs können Materialien in jeder erdenklichen Konfiguration kombiniert werden und es können problemlos gekoppelte piezoelektrische, metallische, dielektrische und fluide Teile enthalten sein.

Sowohl direkte als auch inverse piezoelektrische Effekte können modelliert werden, und die piezoelektrische Kopplung kann mit Hilfe der Dehnungs-Ladungs-Form oder der Spannungs-Ladungs-Form formuliert werden. Das MEMS Module enthält eine Bibliothek mit gängigen piezoelektrischen Materialeigenschaften, einschließlich der Eigenschaften von Bleizirkonattitanat (PZT) und Quarz. Viele piezoelektrische Materialien zeigen ein nichtlineares ferroelektroelastisches Verhalten bei großen angelegten elektrischen Feldern. Sie können dünnschichtige dielektrische und piezoelektrische Strukturen modellieren, worauf Sie durch Kombination des MEMS Module und des Composite Materials Module zugreifen können.

Die Dämpfung in piezoelektrischen Bauteilen kann mit Verlustfaktoren für den piezoelektrischen sowie den elastischen und dielektrischen Teil dargestellt werden. Die dielektrische Erwärmung kann berechnet und mit der Analyse des Wärmetransports gekoppelt werden, um die Auswirkungen der Dispersion zu untersuchen.

Wenn Sie das piezoelektrische Verhalten mit dem Interface Piezoelectricity analysieren, erhalten Sie Ergebnisse für das elektrische Potential und das elektrische Feld, Verschiebung, Dehnung, Spannung, Kapazität, Verluste, Admittanz, Impedanz und S-Parameter.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Frequency Domain und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Wellendynamik in elastischen und piezoelektrischen Materialien

Schwingungen und Ausbreitung von elastischen und piezoelektrischen Wellen können sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich modelliert werden. Dies ermöglicht die Analyse von z.B. akustischen Wandlern und Resonatoren, einschließlich akustischer Volumenwellen (BAW).

Für Simulationen im Zeitbereich können Sie zwischen impliziten und expliziten Methoden wählen. In allen Fällen können verschiedene Materialtypen in demselben Modell kombiniert werden, einschließlich funktional abgestufter Materialien.

Die Frequenzbereichs- und impliziten Zeitbereichssimulationen basieren auf der Finite-Elemente-Methode, während die expliziten Zeitbereichssimulationen auf der diskontinuierlichen Galerkin-Methode (dG oder dG-FEM) beruhen. Die dG-FEM-Methode verwendet einen zeitexpliziten Löser, um eine rechnerisch effiziente Hybridmethode zu gewährleisten, die sehr große Modelle mit vielen Millionen Freiheitsgraden (DOFs) lösen kann. Diese Methode zeigt eine ausgezeichnete parallele Rechenleistung, auch wenn Sie sie auf Clustern ausführen.

Für die Modellierung von Wellen, die den Rechenbereich verlassen, steht eine Vielzahl von Randbedingungen und absorbierenden Schichten zur Verfügung, darunter nichtreflektierende Randbedingungen, Schwammschichten, Perfectly Matched Layers (PMLs) und elastische Port-Randbedingungen.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Electromechanical Forces und einem Cantilever-Modell im Grafikfenster.

Elektromagnetik-Struktur-Interaktion

Das Multiphysik-Interface Electromechanics kombiniert Festkörpermechanik und Elektrostatik mit einem beweglichen Netz, um Ihnen bei der Modellierung der Verformung von elektrostatisch angetriebenen Komponenten, wie z.B. Trägheitssensoren, zu helfen. Das Interface ist auch mit ferroelektroelastischen und elektrostriktiven Materialien kompatibel und bietet Optionen für FEM und BEM. Ein ähnliches Multiphysik-Interface für Magnetomechanik ist verfügbar, wenn das MEMS Module mit dem AC/DC Module kombiniert wird.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Electrostriction und zwei Grafikfenstern.

Elektrostriktive und ferroelektroelastische Materialien

Elektrostriktion ist eine Form der elektromechanischen Wechselwirkung, bei der ein elektrisches Feld, das an ein elektrostriktives Material angelegt wird, eine Verformung des Materials erzeugt (direkter Effekt) und eine Spannung, die an das Material angelegt wird, dessen Polarisation verändert (inverser Effekt). Um dieses Phänomen zu modellieren, können Sie das Interface Electrostriction verwenden, das eine Multiphysik-Kopplung zwischen den Interfaces Solid Mechanics und Electrostatics beinhaltet.

Das Interface Ferroelectroelasticity kann für die Modellierung der Kopplung von Solid Mechanics und Electrostatics verwendet werden. Dies ermöglicht Ihnen die Modellierung nichtlinearer elektromechanischer Wechselwirkungen in ferroelektrischen und piezoelektrischen Materialien. Die elektrische Polarisation in solchen Materialien, einschließlich möglicher Hysterese- und Sättigungseffekte, hängt nichtlinear von dem angelegten elektrischen Feld ab. Darüber hinaus können die Polarisation und die mechanischen Verformungen in solchen Materialien stark gekoppelt sein.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Resistor und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Elektrische Stromkreise

Mit dem MEMS Module können Sie 2D- und 3D-Modelle mit SPICE-Schaltungen kombinieren. In der kombinierten Simulation werden Teile des Modells als Schaltungen dargestellt. So können Sie z.B. die Wirkung eines Serienkondensators auf einen Quarzoszillator untersuchen.

Für jedes Modell oder jede Kombination von Modellen können Sie das Interface Electrical Circuit verwenden, um die mit den Schaltungselementen verbundenen Spannungen, Ströme und Ladungen zu lösen. Schaltkreismodelle können sowohl passive Elemente wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten als auch aktive Elemente wie Dioden und Transistoren enthalten. Sie können Schaltungstopologien im SPICE-Netzlistenformat exportieren und importieren.

MEMS-Designs erstellen und importieren

Sie können Ihr geometrisches Design in COMSOL Multiphysics^® mit den integrierten CAD-Werkzeugen erstellen oder Dateien importieren, die mit einem anderen Softwareprogramm erstellt wurden.

Um Ihnen die Durchführung von Analysen auf der Grundlage von mechanischen CAD-Modellen zu erleichtern, bietet COMSOL als Teil seiner Produktpalette die Produkte CAD Import Module, Design Module und LiveLink™ für mehrere führende CAD-Systeme an.

Für den Import von elektronischen Layout-Dateien, einschließlich Dateien im GDSII-Format, können Sie das ECAD Import Module verwenden. Sie können auch ECAD- und mechanische CAD-Modelle frei kombinieren.

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Proof mass with fingers, das entsprechende Einstellungsfenster und ein Beschleunigungsmesser-Modell im Grafikfenster.