MEMS Module

Para Simulações de Sistemas Microeletromecânicos (MEMS)

MEMS Module

Um sensor de pressão informa a pressão com base na mudança da capacitância, que está relacionada à deformação da estrutura. A deformação depende da pressão e temperatura ambiente sobre os materiais usados e sobre quaisquer tensões iniciais no material.

Simulação de Sistemas Microeletromecânicos

A concepção e a modelagem de sistemas microeletromecânicos (MEMS) são uma disciplina própria da engenharia. Em pequenas escalas dimensionais a concepção de ressonadores, giroscópios, acelerômetros e atuadores deve considerar os efeitos de diversos fenômenos físicos em sua operação. Consequentemente, o COMSOL Multiphysics é idealmente adequado para aplicações MEMS. Para tanto, o MEMS Module oferece interfaces de usuário predefinidas com ferramentas de modelagem associadas, chamadas de interfaces físicas, para uma variedade de físicas acopladas, incluindo interações eletromagnetismo-estrutura, térmica-estrutura ou fluido-estrutura. Você pode incluir vários fenômenos de amortecimento em seu modelo: amortecimento de gás com filme fino, fatores de perda anisotrópica para materiais sólidos e piezos, amortecimento por ancoragem e amortecimento termoelástico. Para vibrações e ondas elásticas, camadas perfeitamente casadas (PMLs) conferem absorção de alto nível da energia elástica de saída.

Ótimas ferramentas de modelagem piezoelétrica e piezorresistiva permitem simulações em que os materiais piezoelástico-dielétricos podem ser combinados em qualquer configuração imaginável. O MEMS Module inclui análises nos regimes permanente e transiente, bem como análises modal, paramétrica, quasiestática e de resposta em frequência totalmente acopladas. Você pode realizar com facilidade a extração de parâmetros discretos de capacitância, impedância e admitância e conectá-los a circuitos elétricos externos por meio de "SPICE netlists". Construído com base nos recursos principais do COMSOL Multiphysics®, o MEMS Module pode ser usado para atender a praticamente qualquer fenômeno referente a mecânica de microescala.

Outras imagens:

  • RESSONADORES ACIONADOS ELETROSTATICAMENTE: Uma simulação de um ressonador MEMS eletrostático usando a interface eletromecânica do MEMS Module. RESSONADORES ACIONADOS ELETROSTATICAMENTE: Uma simulação de um ressonador MEMS eletrostático usando a interface eletromecânica do MEMS Module.
  • RESSONADOR DE QUARTZO: A resposta mecânica de um oscilador de quartzo de cisalhamento de espessura, junto com um gráfico que ilustra o efeito de uma capacitância em série sobre a resposta em frequência. RESSONADOR DE QUARTZO: A resposta mecânica de um oscilador de quartzo de cisalhamento de espessura, junto com um gráfico que ilustra o efeito de uma capacitância em série sobre a resposta em frequência.
  • ATUADOR TÉRMICO: A temperatura dentro de um atuador térmico deformado pelo aquecimento por efeito Joule é ilustrada no topo, ao passo que a visualização inferior ilustra a distribuição da densidade de corrente. ATUADOR TÉRMICO: A temperatura dentro de um atuador térmico deformado pelo aquecimento por efeito Joule é ilustrada no topo, ao passo que a visualização inferior ilustra a distribuição da densidade de corrente.
  • SENSORES PIEZORRESISTIVOS: O campo de tensão em um sensor piezorresistivo computado com a interface física integrada para materiais piezorresistivos no MEMS Module. SENSORES PIEZORRESISTIVOS: O campo de tensão em um sensor piezorresistivo computado com a interface física integrada para materiais piezorresistivos no MEMS Module.
  • TERMOELASTICIDADE: O amortecimento termoelástico é um fator importante na hora de projetar ressonadores MEMS. A deformação cíclica do ressonador cria variações de temperatura localizadas e a expansão térmica do material, que aparece como amortecimento. TERMOELASTICIDADE: O amortecimento termoelástico é um fator importante na hora de projetar ressonadores MEMS. A deformação cíclica do ressonador cria variações de temperatura localizadas e a expansão térmica do material, que aparece como amortecimento.

Fluxo de Trabalho Robusto Para Modelar Dispositivos MEMS

Para modelar um dispositivo MEMS, você primeiro define a geometria no software, seja usando as ferramentas de modelagem nativas do COMSOL ou importando um modelo CAD. Se você quiser importar modelos CAD, é possível fazê-lo usando o CAD Import Module ou um dos produtos LiveLink para CAD. Layouts eletrônicos podem ser importados com a ajuda do ECAD Import Module. Depois de definir a geometria do modelo, a próxima etapa é selecionar materiais adequados e adicionar uma interface física adequada. As condições iniciais e as condições de contorno serão definidas dentro da interface. A seguir, você define a malha e seleciona um método de resolução. Por fim, você visualiza os resultados e os processa e exporta. Todas essas etapas são acessadas de dentro do COMSOL Desktop®. Os métodos de resolução (solvers) são definidos automaticamente com definições padrão, já ajustadas para cada interface específica. No entanto, o usuário experiente pode acessar e modificar as definições de baixo nível dos métodos de resolução de acordo com o necessário.

Você também pode integrar suas simulações MEMS ao Microsoft® Excel®. O LiveLink for Excel® permite que você realize simulações de dentro da interface do Excel®, além de importar/exportar resultados e materiais. Se você preferir um ambiente com scripts, o LiveLink for MATLAB® disponibiliza uma série de comandos compatíveis com o MATLAB® extremamente poderosos ao instalar o COMSOL Multiphysics e o MATLAB juntos. Dessa forma, as simulações do COMSOL podem ser integradas a programas do MATLAB. Você pode exportar resultados de um modelo COMSOL para o ambiente do MATLAB, incluindo inspecionar a rigidez e matrizes do sistema.

Atuadores Eletrostáticos e Eletromecânica

As forças eletrostáticas escalonam favoravelmente conforme as dimensões são reduzidas, um fato frequentemente aproveitado em MEMS. Uma aplicação típica do MEMS Module dentro dessa área se dá com ressonadores MEMS acionados eletrostaticamente, os quais operam com uma polarização de CC aplicada. O MEMS Module oferece uma interface física dedicada para eletromecânica, a qual, no caso de ressonadores MEMS, é usada para computar a variação da frequência ressonante com polarização de CC aplicada – a frequência diminui com o potencial aplicado devido à flexibilização do sistema eletromecânico acoplado. O tamanho pequeno do dispositivo resulta em uma frequência ressonante em MHz até mesmo para um modo flexional simples. Além disso, o escalonamento favorável das forças eletromagnéticas permite o acionamento capacitivo eficiente, o que não seria possível na macroescala. A Model Library (Biblioteca de Modelos) inclusa no MEMS Module possui tutoriais detalhados com instruções passo a passo para ressonadores MEMS acionados eletrostaticamente. Além disso, você tem a opção de usar a interface eletromecânica para incluir os efeitos da eletrostrição isotrópica.

Dispositivos Piezoelétricos

Forças piezoelétricas também escalonam bem conforme a dimensão do dispositivo é reduzida. Ademais, sensores e atuadores piezoelétricos são predominantemente lineares e não consomem energia de CC em operação. Referências de frequência de quartzo podem ser consideradas o componente MEMS de maior volume atualmente em produção – mais de 1 bilhão de dispositivos são fabricados todo ano. As interfaces físicas do MEMS Module são excepcionalmente adequadas para simular osciladores de quartzo, além de uma variedade de outros dispositivos piezoelétricos.

Um dos tutoriais que vem com o MEMS Module apresenta a resposta mecânica de um oscilador de quartzo de cisalhamento de espessura junto com uma capacitância em série e seu efeito sobre a resposta de frequência. Uma capacitância em série é frequentemente usada para ajustar ou extrair a ressonância de osciladores de quartzo, e o MEMS Module permite combinar modelos em 2D e 3D com circuitos SPICE para essas simulações combinadas.

Atuadores Térmicos e Tensão Térmica

As forças térmicas escalonam favoravelmente em comparação a forças inerciais. Isso torna os atuadores térmicos microscópicos rápidos o bastante para serem úteis na microescala, embora os atuadores térmicos sejam tipicamente mais lentos do que atuadores capacitivos ou piezoelétricos. Os atuadores térmicos também são fáceis de integrar a processos semicondutores, embora usualmente consumam grandes quantidades de energia em comparação a suas contrapartes eletrostática e piezoelétrica. O MEMS Module pode ser usado para aquecimento por efeito de Joule com simulações de tensão térmica que incluem detalhes da distribuição de perdas resistivas. Os efeitos térmicos também exercem papel fundamental na fabricação de muitas tecnologias MEMS comerciais envolvendo tensões térmicas em filmes finos depositados que são críticas para muitas aplicações. O MEMS Module inclui interfaces físicas dedicadas para computação das tensões térmicas com vastos recursos de pós-processamento e visualização, incluindo campos de tensão e deformação, tensão e deformação principais, tensão real, campos de deslocamento, entre outros.

Arquitetura Flexível e Aberta

O design do COMSOL enfatiza as físicas fornecendo a você as equações resolvidas por cada recurso e oferecendo a você total acesso ao sistema de equações interno. Há também uma enorme flexibilidade para adicionar equações e expressões definidas pelo usuário ao sistema. Por exemplo, para modelar o aquecimento por efeito Joule em uma estrutura com propriedades elásticas que dependem da temperatura, basta inserir as constantes elásticas em função da temperatura – sem necessidade de scripts, nem codificação. Quando o COMSOL compila as equações, os acoplamentos complexos gerados por essas expressões definidas pelo usuário são incluídos automaticamente no sistema de equações. As equações são então resolvidas usando o método dos elementos finitos e uma variedade poderosa de métodos de resolução. Depois de chegar a uma solução, uma ampla gama de ferramentas de pós-processamento é disponibilizada para verificar os dados e representações gráficas predefinidas são geradas automaticamente para demonstrar a resposta do dispositivo. O COMSOL oferece flexibilidade para avaliar uma ampla gama de quantidades físicas, incluindo quantidades predefinidas como temperatura, campo elétrico ou tensor de tensões (disponíveis através de menus fáceis de usar), além de expressões arbitrárias definidas pelo usuário.

Interação Fluido-Estrutura (FSI) e Amortecimento de Filmes Finos

Dispositivos MEMS fluídicos, ou dispositivos microfluídicos, representam uma área de MEMS cada vez mais importante. A COMSOL oferece um Microfluidics Module distinto para tratar especificamente dessas aplicações, mas o MEMS Module certamente inclui funcionalidade microfluídica significativa para simular a interação de estruturas MEMS com fluidos. A interface multifísica Fluid-Structure Interaction (FSI) combina o escoamento com a mecânica dos sólidos para captar a interação entre o fluido e a estrutura sólida. Interfaces de usuário para a mecânica dos sólidos e o escoamento laminar modelam o sólido e o fluido, respectivamente. Os acoplamentos FSI aparecem nos limites entre o fluido e o sólido e podem incluir pressão fluida, forças viscosas, além de transferência de momento do sólido para o fluido – FSI bidirecional. O método usado para FSI é conhecido como método Lagrangiano-Euleriano Arbitrário (ALE).

Forças de amortecimento da FSI são geralmente importantes para dispositivos MEMS, resultando frequentemente na necessidade de acondicionamento a vácuo. O MEMS Module possui interfaces físicas de amortecimento de filmes finos especiais que resolvem a equação de Reynolds para determinar a velocidade e pressão de um fluido e as forças sobre as superfícies adjacentes. Essas interfaces podem ser usadas para modelar o amortecimento por compressão de filmes e filmes deslizantes através de uma ampla gama de pressões (efeitos de rarefação podem ser incluídos). O amortecimento de filmes finos é disponibilizado sobre superfícies arbitrárias em 3D e pode ser acoplado diretamente a sólidos em 3D.

Sensores Piezorresistivos

O efeito piezorresistivo refere-se à mudança na condutividade de um material que ocorre em resposta a uma tensão aplicada. A facilidade de integração de pequenos piezorresistores a processos semicondutores padrão, junto com a resposta razoavelmente linear do sensor, fez essa tecnologia particularmente importante na indústria dos sensores de pressão. Para modelar sensores piezorresistivos, o MEMS Module oferece várias interfaces físicas dedicadas para piezorresistividade em sólidos ou cascas. Ao combinar o MEMS Module com o Structural Mechanics Module, habilita-se uma interface física piezorresistiva para cascas finas.

Mecânica dos Sólidos

A interface física da Solid Mechanics é usada para a análise de tensões, bem como para mecânica dos sólidos linear e não linear em geral, resolvendo os deslocamentos. O MEMS Module inclui modelos de materiais lineares elásticos e viscoelásticos, mas você pode complementá-lo com o Nonlinear Structural Materials Module para também incluir modelos de materiais não lineares. Você pode expandir os modelos de materiais com recursos de expansão térmica, amortecimento e tensão e deformação iniciais. Além disso, várias fontes de deformação inicial são permitidas, possibilitando incluir contribuições de deformação inelástica arbitrárias decorrentes de várias fontes físicas. A descrição de materiais elásticos no módulo inclui materiais isotrópicos, ortotrópicos e totalmente anisotrópicos.

Termoelasticidade

A interface física Thermoelaticity é usada para modelar materiais termoelásticos lineares. Ela resolve o deslocamento da estrutura e os desvios de temperatura, bem como a transferência de calor resultante induzida pelo acoplamento termoelástico. A termoelasticidade é importante na modelagem de ressonadores MEMS de alto fator de qualidade.

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Composite Piezoelectric Transducer

Capacitive Pressure Sensor

SAW Gas Sensor

Electrostatically Actuated Cantilever

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Microresistor Beam

Thermal Stresses in a Layered Plate

Biased Resonator Models (3D)

Prestressed Micromirror

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator