شبیه سازی سیستم های میکروالکترومکانیکی با MEMS Modul
MEMS Modul
شبیه سازی سیستم های میکروالکترومکانیکی طراحی و مدل سازی سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) یک رشته مهندسی منحصر به فرد است.
در مقیاس‌های طول کوچک، طراحی تشدیدکننده‌ها، ژیروسکوپ‌ها، شتاب‌سنج‌ها و محرک‌ها باید تأثیرات چندین پدیده فیزیکی را در عملکرد آنها در نظر بگیرد. در نتیجه، COMSOL Multiphysics برای برنامه‌های MEMS مناسب است.
برای این منظور، ماژول MEMS رابط های کاربری از پیش تعریف شده ای را با ابزارهای مدل سازی مرتبط، که به عنوان رابط های فیزیک نامیده می شوند، برای انواع فیزیک جفت شده، از جمله برهمکنش های ساختار الکترومغناطیسی، ساختار حرارتی، یا برهمکنش های ساختار سیال ارائه می دهد.
می‌توانید انواع پدیده‌های میرایی را در مدل خود بگنجانید: میرایی گاز با لایه نازک، ضریب تلفات ناهمسانگرد برای مواد جامد و پیزو، میرایی لنگر، و میرایی ترموالاستیک. برای ارتعاشات و امواج الاستیک، لایه‌های کاملاً منطبق (PML) جذب پیشرفته‌ای از انرژی الاستیک خروجی را فراهم می‌کنند.
بهترین ابزارهای مدل‌سازی پیزوالکتریک و پیزوالکتریک در کلاس، امکان شبیه‌سازی را فراهم می‌کنند که در آن مواد کامپوزیت پیزو الاستیک-دی الکتریک را می‌توان در هر پیکربندی قابل تصوری با هم ترکیب کرد. ماژول MEMS شامل تحلیل‌هایی در حوزه‌های ثابت و گذرا، و همچنین تحلیل‌های فرکانس ویژه، پارامتریک، شبه استاتیک و پاسخ فرکانسی است.
شما به راحتی می توانید استخراج پارامترهای یکپارچه خازن، امپدانس و پذیرش را انجام دهید و از طریق لیست های شبکه SPICE به مدارهای الکتریکی خارجی متصل شوید. ماژول MEMS که بر اساس قابلیت‌های اصلی COMSOL Multiphysics® ساخته شده است، می‌تواند برای رسیدگی به هر پدیده‌ای که به مکانیک در مقیاس کوچک مرتبط است، استفاده شود.
“اگر در انجام پروژه کامسول و شبیه سازی کامسول خود دچار مشکل شده اید با ما تماس بگیرید”
گردش کار جامد برای مدل‌سازی دستگاه‌های MEMS
برای مدل‌سازی یک دستگاه MEMS، ابتدا هندسه را در نرم‌افزار تعریف می‌کنید، یا با استفاده از ابزارهای مدل‌سازی بومی COMSOL یا با وارد کردن یک مدل CAD. اگر می‌خواهید مدل‌های مکانیکی CAD را وارد کنید، می‌توانید این کار را با استفاده از ماژول واردات CAD یا یکی از محصولات LiveLink™ برای CAD انجام دهید.
طرح‌بندی‌های الکترونیکی را می‌توان با کمک ماژول واردات ECAD وارد کرد. هنگامی که مدل هندسه تعریف شد، مرحله بعدی انتخاب مواد مناسب و افزودن یک رابط فیزیک مناسب است.
شرایط اولیه و شرایط مرزی باید در رابط تنظیم شوند. بعد، مش را تعریف می کنید و یک حل کننده را انتخاب می کنید. در نهایت، نتایج را تجسم می کنید و نتایج را پردازش و صادر می کنید.
همه این مراحل از داخل COMSOL Desktop® قابل دسترسی هستند. حل‌کننده‌ها به‌طور خودکار با تنظیمات پیش‌فرض، که قبلاً برای هر رابط خاص تنظیم شده‌اند، تنظیم می‌شوند.
با این حال، کاربر پیشرفته می تواند در صورت نیاز به تنظیمات حل کننده سطح پایین دسترسی داشته باشد و آن را تغییر دهد. همچنین می توانید شبیه سازی های MEMS خود را با Microsoft® Excel® ادغام کنید. LiveLink™ برای Excel® به شما امکان می‌دهد شبیه‌سازی‌ها را از داخل رابط Excel® و همچنین وارد/صادرات نتایج و مواد کنید.
اگر یک محیط اسکریپت نویسی را ترجیح می دهید، LiveLink™ برای MATLAB® یک سری دستورات بسیار قدرتمند سازگار با MATLAB را هنگام نصب COMSOL Multiphysics و MATLAB با هم در دسترس قرار می دهد.
به این ترتیب، شبیه سازی های COMSOL را می توان با برنامه های متلب ادغام کرد. می‌توانید نتایج یک مدل COMSOL را به محیط MATLAB صادر کنید، از جمله بررسی سختی و ماتریس‌های سیستم.
محرک های الکترواستاتیک و الکترومکانیک
با کاهش ابعاد دستگاه، نیروهای الکترواستاتیک به طور مطلوب مقیاس می شوند، این واقعیت اغلب در MEMS اعمال می شود. یک کاربرد معمولی از ماژول MEMS در این ناحیه برای تشدید کننده های MEMS فعال الکترواستاتیکی است که با بایاس DC کاربردی عمل می کنند. ماژول MEMS یک رابط فیزیک اختصاصی برای الکترومکانیک فراهم می کند که برای تشدید کننده های MEMS برای محاسبه تغییر فرکانس تشدید با بایاس DC اعمال شده استفاده می شود – فرکانس با پتانسیل اعمال شده کاهش می یابد، به دلیل نرم شدن سیستم الکترومکانیکی جفت شده.
اندازه کوچک دستگاه منجر به فرکانس تشدید مگاهرتز حتی برای یک حالت خمشی ساده می شود. علاوه بر این، مقیاس پذیری مطلوب نیروهای الکترومغناطیسی، تحریک خازنی کارآمد را ممکن می کند که در مقیاس ماکرو امکان پذیر نیست. کتابخانه مدل که با ماژول MEMS ارائه می شود، آموزش های دقیقی با دستورالعمل های گام به گام برای رزوناتورهای MEMS فعال الکترواستاتیک دارد. علاوه بر این، شما این امکان را دارید که از رابط الکترومکانیک برای گنجاندن اثرات برق گرفتگی همسانگرد استفاده کنید.
دستگاه های پیزوالکتریک
نیروهای پیزوالکتریک نیز به خوبی مقیاس می شوند و بعد دستگاه کاهش می یابد. علاوه بر این، سنسورها و محرک‌های پیزوالکتریک عمدتاً خطی هستند و برق DC را در حین کار مصرف نمی‌کنند.
مرجع فرکانس کوارتز را می توان بالاترین حجم جزء MEMS در حال حاضر در نظر گرفت – بیش از 1 میلیارد دستگاه در سال تولید می شود. رابط های فیزیکی ماژول MEMS برای شبیه سازی نوسانگرهای کوارتز و همچنین طیف وسیعی از دستگاه های پیزوالکتریک دیگر مناسب هستند.
یکی از آموزش های ارسال شده با ماژول MEMS پاسخ مکانیکی یک نوسان ساز کوارتز برشی ضخامت همراه با ظرفیت سری و تأثیر آن بر پاسخ فرکانسی را نشان می دهد. یک خازن سری اغلب برای تنظیم یا کشیدن رزونانس نوسانگرهای کوارتز استفاده می شود و ماژول MEMS امکان ترکیب مدل های دو بعدی و سه بعدی را با مدارهای SPICE برای چنین شبیه سازی های ترکیبی می دهد.
معماری انعطاف پذیر و باز
طراحی COMSOL با ارائه معادلات حل شده توسط هر ویژگی و ارائه دسترسی کامل به سیستم معادلات اساسی، بر فیزیک تأکید دارد. همچنین انعطاف پذیری فوق العاده ای برای افزودن معادلات و عبارات تعریف شده توسط کاربر به سیستم وجود دارد. به عنوان مثال، برای مدل‌سازی گرمایش ژول در ساختاری با ویژگی‌های الاستیک وابسته به دما، به سادگی ثابت‌های الاستیک را به عنوان تابعی از دما وارد کنید – هیچ برنامه‌نویسی یا کدگذاری مورد نیاز نیست.
هنگامی که COMSOL معادلات را کامپایل می کند، جفت های پیچیده ایجاد شده توسط این عبارات تعریف شده توسط کاربر به طور خودکار در سیستم معادله گنجانده می شوند. سپس معادلات با استفاده از روش اجزای محدود و طیف وسیعی از حل‌کننده‌های قدرت صنعتی حل می‌شوند.
هنگامی که یک راه حل به دست آمد، طیف گسترده ای از ابزارهای پس پردازش برای بازجویی از داده ها در دسترس هستند و نمودارهای از پیش تعریف شده به طور خودکار برای نشان دادن پاسخ دستگاه تولید می شوند. COMSOL انعطاف‌پذیری را برای ارزیابی طیف وسیعی از مقادیر فیزیکی، از جمله مقادیر از پیش تعریف‌شده مانند دما، میدان الکتریکی، یا تانسور تنش (در دسترس از طریق منوهای آسان برای استفاده)، و همچنین عبارات دلخواه تعریف‌شده توسط کاربر، ارائه می‌دهد.
اندرکنش سیال-ساختار (FSI) و میرایی لایه نازک
دستگاه‌های MEMS سیال یا دستگاه‌های میکروسیال، حوزه‌ای مهم از MEMS را نشان می‌دهند. COMSOL یک ماژول Microfluidics جداگانه برای پرداختن به این برنامه‌ها ارائه می‌کند، اما ماژول MEMS دارای عملکرد میکروسیال قابل توجهی برای شبیه‌سازی تعامل ساختارهای MEMS با سیالات است.
رابط چندفیزیکی برهمکنش سیال-ساختار (FSI) جریان سیال را با مکانیک جامد ترکیب می کند تا تعامل بین سیال و ساختار جامد را به تصویر بکشد. رابط کاربری Solid Mechanics و Laminar Flow به ترتیب جامد و سیال را مدل می کنند.
کوپلینگ های FSI در مرزهای بین سیال و جامد ظاهر می شوند و می توانند شامل فشار سیال و نیروهای ویسکوز و همچنین انتقال تکانه از جامد به سیال – FSI دو جهته باشند. روش مورد استفاده برای FSI به عنوان یک لاگرانژی-اولری دلخواه (ALE) شناخته می شود. نیروهای میرایی ناشی از FSI اغلب برای دستگاه های MEMS مهم هستند، که اغلب منجر به نیاز به بسته بندی خلاء می شود.
ماژول MEMS دارای رابط های فیزیک میرایی لایه نازک تخصصی است که معادله رینولدز را برای تعیین سرعت و فشار سیال و نیروهای وارد بر سطوح مجاور حل می کند. این رابط‌ها را می‌توان برای مدل‌سازی فیلم فشرده و میرایی فیلم اسلاید در طیف وسیعی از فشارها استفاده کرد (اثرات نادر را می‌توان گنجاند).
میرایی لایه نازک روی سطوح دلخواه به صورت سه بعدی در دسترس است و می تواند مستقیماً با جامدات سه بعدی جفت شود.
مکانیک جامدات
رابط فیزیک مکانیک جامدات برای تجزیه و تحلیل تنش و همچنین مکانیک جامدات خطی و غیرخطی عمومی برای حل جابجایی ها استفاده می شود.
ماژول MEMS شامل مدل‌های مواد ویسکوالاستیک خطی و الاستیک خطی می‌شود، اما می‌توانید آن را با ماژول مواد ساختاری غیرخطی تکمیل کنید تا مدل‌های مواد غیرخطی را نیز شامل شود. شما می توانید مدل های مواد را با ویژگی های انبساط حرارتی، میرایی و تنش و کرنش اولیه گسترش دهید.
علاوه بر این، چندین منبع از کرنش‌های اولیه مجاز هستند، که این امکان را فراهم می‌کند که مشارکت‌های کرنش غیرالاستیک دلخواه ناشی از منابع فیزیکی متعدد را شامل شود. توضیحات مواد الاستیک در ماژول شامل مواد همسانگرد، متعامد و کاملا ناهمسانگرد است.
محرک های حرارتی و استرس حرارتی
مقیاس نیروهای حرارتی در مقایسه با نیروهای اینرسی مطلوب است. این باعث می شود که محرک های حرارتی میکروسکوپی به اندازه کافی سریع باشند که در مقیاس میکرو مفید باشند، اگرچه محرک های حرارتی معمولاً کندتر از محرک های خازنی یا پیزوالکتریک هستند.
عملگرهای حرارتی نیز به راحتی با فرآیندهای نیمه هادی ادغام می شوند، اگرچه آنها معمولاً در مقایسه با همتایان الکترواستاتیک و پیزوالکتریک خود، انرژی زیادی مصرف می کنند. ماژول MEMS را می توان برای گرمایش ژول با شبیه سازی تنش حرارتی که شامل جزئیات توزیع تلفات مقاومتی است استفاده کرد.
اثرات حرارتی همچنین نقش مهمی در ساخت بسیاری از فناوری‌های تجاری MEMS با تنش‌های حرارتی در لایه‌های نازک رسوب‌شده دارند که برای بسیاری از کاربردها حیاتی هستند. ماژول MEMS شامل رابط‌های فیزیک اختصاصی برای محاسبات تنش حرارتی با قابلیت‌های پس پردازش و تجسم گسترده، از جمله میدان‌های تنش و کرنش، تنش و کرنش اصلی، تنش معادل، میدان‌های جابجایی و موارد دیگر است.
جهت دانلود آموزش کامل ماژول میکروالکترومکانیکی MEMS Module in comsol لطفا کلیک کنید.
جهت یادگیری کامل نرم افزار کامسول آموزش های رایگان ما را در سایت حامی پروژه دنبال نمایید. و در صورت مشکل در انجام پروژه های comsol خود با متخصصین حامی پروژه در تماس باشید. برای ارتباط با تیم تخصصی کامسول حامی پروژه با شماره 09934702599 تماس حاصل نمایید.
ماژول میکروالکترومکانیکی MEMS Modul