微型机电系统的建模与仿真研究

概述了开展微型机电系统 (MEMS)建模与仿真研究的意义和必要性。提出了MEMS建模与仿真技术的特点 :( 1)多物理场耦合 ;( 2 )材料特性的变化 ;( 3 )依赖快速有效的算法 ;( 4 )原子尺度仿真。分别从器件级仿真、过程仿真和系统级仿真三个层次说明了MEMS仿真的方法。最后结合MEMS建模与仿真技术的发展现状 ,指出了该领域今后的发展趋势。     

MEMS模拟仿真研究和发展现状

介绍微机电模拟和仿真的一些基本特点 ,概括MEMSCAD的体系结构 ,以及等效电路法建立宏模型的方法和用ANSYS进行耦合场分析 ,并指出今后有待研究的几个问题。     

微机械系统建模与仿真技术研究

简要分析了微电子机械系统建模仿真的原因,指出了微电子机械建模仿真需要克服的四个方面技术难题,即尺度效应、开发快速的表面力计算方法、多物理场耦合分析、宏模型的建立,为微电子机械系统的建模仿真指明了研究方向.详细分析了微电子机械系统建模仿真的技术关键,多物理场耦合计算的理论方法和器件及系统宏观模型的建立,介绍了用于MEMS系统级模拟仿真的宏模型建立的几种方法,最后结合硬件描述语言VHDL-AMS提出了建立微电子机械系统模型实现系统级模拟的方法.     

平板式可变电容器宏建模及其在MEMS设计中的应用实例

平板式可变电容器是MEMS重要的机电耦合部件,建立其宏模型是MEMS系统级快速仿真的迫切需求。本文采用解析法在三维空间内建立了可描述活动极板六自由度运动的宏模型,并以MAST为模型编码语言实现了其多端口参数化组件模型。在SABER仿真平台上构建了电容检测式微加速度计系统级模型,时域仿真结果表明使用该系统级模型能够快速进行有限元分析软件难以实现的复杂机电耦合系统时域行为分析。     

微电子机械系统中多能量场耦合问题仿真分析

在微电子机械系统(MEMS)研究和设计中,微系统数值仿真分析是一个重要研究领域.本文对MEMS中多能量场耦合仿真问题的各种数值分析方法进行了综合评述.分析了该领域目前的研究现状并指出了其今后的发展方向.     

MEMS器件建模与仿真分析方法研究

基于主振型叠加法和拉格朗日动力学方程，建立微机电系统多场耦合分析的宏模型。这一模型是由常微分方程组成的有限自由度系统，自由度较少，系统状态方程简单，显著地减少计算时间，为micro-electro-mechanical systems（MEMS）设计提供一种有效而准确的分析工具。算例表明，文中所提方法用于MEMS器件建模仿真分析是有效的。     

并联电容式RF MEMS开关的系统级设计与分析

针对传统设计方法分析RF MEMS开关的周期比较长的缺点,提出了一种基于静电控制的低压并联MEMS开关的系统级设计分析方法,实现了并联电容式RF MEMS开关的快速设计与优化分析。该方法采用Coventorware软件ARCHITECT模块搭建并联电容式RF MEMS开关系统级模型,分析了多物理耦合场下并联电容式RF MEMS开关的动态响应特性,得到位移和电压大小的对应关系曲线。仿真结果表明:系统级分析便于在不同层面上分析和解决问题,结合MEMS器件还可以做相关工艺设计版图分析,便于多次调整参数分析。     

MEMS惯性开关的系统级仿真

提出一种基于静电控制,具有阈值可调功能的微电子机械系统(MEMS)惯性开关。采用CoventorWare软件中的Architect模块对MEMS惯性开关进行系统级建模与仿真。分析了多物理耦合场下MEMS惯性开关的动态响应特性,得到阈值加速度和电压的对应关系曲线。结果表明:通过改变初始电压,可以调节开关阈值大小;对开关进行了系统级的模态分析和谐响应分析,MEMS惯性开关的工作频率范围在22.901 kHz以内且具有抗击104g正弦加速度的能力。     

微谐振式压力传感器的系统级建模与仿真

具有微型化、多域耦合等特点的MEMS传感器对设计具有高精度、高效率、迭代设计、结构与电路联合设计等要求。基于组件库或集总参数的MEMS系统级设计方法虽然满足了这些要求,但在面向特定器件的定制化设计方面却略显不足。以一MEMS谐振式压力传感器为例,提出了一种全参数化系统级建模与仿真方法。在建立的详细数学模型基础上,通过硬件描述语言对传感器谐振子按照详细拓扑结构进行了建模与仿真。仿真结果和实验结果的对比显示这是一种满足MEMS设计要求的建模与仿真方法。     

应用集总参数的微机电系统等效电路建模方法研究

微机电系统(MEMS)的多物理域耦合的特性使得系统建模仿真极为困难.而利用唯象不可逆热力学的相关概念,能够将复杂的MEMS系统分解为多个子系统,并以统一的热力学共轭变量的方式描述各子系统组件模型.由广义Kirchhoffian网络理论,搭建MEMS系统级模型.基于集总参数方法的等效电路方法就是其中一种合适的组件模型表达方式.使用能量变分法建立机、电系统端口变量之间关系的基本方程,获得机械变量与电域变量的转换矩阵,从而建立等效电路模型.模型易于在电系统仿真器中使用,适合于工作平衡点处的小信号仿真.     

MEMS器件的计算机辅助设计与模拟

概要论述了微电子机械系统的计算机辅助设计和模拟过程,分析了MEMSCAD系统所应具有的主要内容和系统模拟中的关键问题,讨论了目前采用的各种模拟系统的模拟形式和应用范围。并结合静电微马达与微米／纳米镊子实例,分析了模块化的CAD软件结构形式以及所用MEMS材料的数据库建立和应用连接,所提出并采用的开发方式适用于微传感器及微执行器等微系统器件的设计与模拟。     

微型机电系统的计算机辅助设计系统简介

虽然微型机电系统的制造通常使用基于集成电路工艺的平面制造技术,但由于ＭＥＭＳ器件的三维特性,使它与ＩＣ的制造有很大不同。而且,它涉及复杂的多能量域问题,给设计分析带来一较大难度。为加快ＭＥＭＳ的设计过程,需要有相应的计算机辅助设计系统（ＭＥＭＳＣＡＤ）。文中介绍了ＭＥＭＳＣＡＤ的系统结构及国外的发展现状。     

硅各向异性腐蚀三维计算机模拟系统的建立

文中的工作属于MEMS计算机辅助设计（CAD）中的一部分内容。介绍了如何建立硅各向异性腐蚀三维计算机模拟系统,给出这个工艺模拟系统的结构框图,并就已给出框图中几个重要的方面进行了叙述。在这个框图的基础上,用C语言编写出了相应的模拟硅各向异性腐蚀工艺的软件,并给出软件的界面和演示结果。结果表明硅各向异性腐蚀三维计算机模拟系统建立的合理性。     

CAD应用软件协作开发系统的构成与实现探索

以热处理 CAD系统为原型 ,构造了集可重用 CAD构件库、资源搜索匹配系统 (生产企业与专业软件开发部门的最佳组合 )、计算机辅助设计与控制软件开发系统、控制系统模拟为一体的 CAD应用软件协作开发系统 ,并探索了它的实现方法     

A web-enabled open database system for design and manufacturing of micro-electro-mechanical systems (MEMS)

This paper presents the development of a web-enabled database system for MEMS design and manufacturing which can provide the networked design and manufacturing services over the Internet. Specifically, the data obtained from various sources for MEMS manufacturing processes/materials are organised as databases by using the relational database management systems (RDBMS), Microsoft Access and MySQL. The database system can be accessed from a Java application as well as an applet. The stand-alone Java application is created using JFC Swing, JDBC and SQL, and the Java applet is subsequently created to enable web functionality. The underlying database is open, extensible through a set of administrator tools or via the web, which gives commercial design and manufacturing facilities the ability to update their own materials, processes and rules. This plays a crucial role in the system for advisory MEMS manufacturing service and concurrent collaborative MEMS design and simulation. The developed database system, e-MEMS Designer @Database, which contains extensive manufacturing or fabrication processes and materials databases for MEMS and microelectronics, is easily incorporated as a sub-system into both the standalone system and the web-enabled MEMS design system, MEMS Designer, which is being developed. The database system can also be updated to create a comprehensive data warehouse and an advisory system for MEMS manufacturing processes/materials selection.     

加速松弛法及其在静电—力耦合问题仿真分析中的应用

基于有限元和边界元耦合法 ,建立了一种新的求解微电子机械系统 (MEMS)中多能量场耦合问题的数值方法———加速松弛法。这种方法能有效地避免使用牛顿法时求解Jacobi方程的困难。算例表明 ,加速松弛法具有收敛速度快、稳定性好等特点。     

一种基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法

以多端口组件及其网络的研究作为理论基础,创建了专门针对MEMS的系统级建模方法———用单个组件 表示MEMS的各功能结构部件,组件的端口表征与部件有关的各种物理量,依据一定规则联结组件形成的网络表 征整个微系统。该方法采用常微分和代数方程描述组件的行为,混合信号硬件描述语言作为组件及其网络的建模 语言。以梁为例,阐述了如何建立其行为方程,以得到参数化、可供重用的组件模型。上述研究结合微加速度计的 系统级设计应用实例,表明该方法是实现MEMS系统级建模的有效手段,能针对MEMS固有的多能量域耦合行为 等进行快速建模与仿真。     

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置，该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS（micro-electro-mechanical system）疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析，并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟，模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平，并对该电压范围进行预测。     

真空发生器的全流程CAD/CAE系统开发与应用

针对传统真空发生器研究存在的CAD/CAE数据转换精度损失和重复建模的问题,利用ANSYS Workbench平台开发面向真空发生器的全流程CAD/CAE系统,建立结构设计和仿真分析相关联的参数化模型,降低了模型的精度损失,避免了三维模型优化变更造成的重复建模问题,分析了真空发生器拉瓦尔喷管喉部直径、出口直径、扩张管直径、扩张段长度等结构参数对真空度的影响。结果表明:全流程CAD/CAE系统可实现“建模-仿真-修改-优化”的闭式循环,提高了仿真及优化的效率及可靠性。