微機(jī)電系統(tǒng)第二章MEMS設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

微機(jī)電系統(tǒng)第二章MEMS設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第二章

MEMS設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容提要硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)微尺度效應(yīng)MEMS中的材料應(yīng)用及進(jìn)展MEMS設(shè)計(jì)的基本問題MEMS設(shè)計(jì)的具體方法第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六提問MEMS的分類和特點(diǎn)？MEMS的典型產(chǎn)品有哪些？分別應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？MEMS的設(shè)計(jì)涉及那些學(xué)科？可以用作MEMS中的材料有哪些？第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六四、MEMS設(shè)計(jì)的基本問題MEMS設(shè)計(jì)的目的分為三類：(1)作為技術(shù)探索而設(shè)計(jì)的組件或系統(tǒng)：一般是為了驗(yàn)證研究者的某種設(shè)計(jì)思想，測試某種制作工藝的合理性與局限性，因此，只需制作少量的試樣就夠了。(2)作為儀器研發(fā)而設(shè)計(jì)的組件或系統(tǒng)：設(shè)計(jì)的設(shè)備將用于完成某種科研活動(dòng)或某種高度專業(yè)化的任務(wù)，對(duì)這種目的的設(shè)計(jì)，必須注意儀器、設(shè)備的準(zhǔn)確性，而對(duì)產(chǎn)品需求的數(shù)量可視具體情況而定。(3)作為商業(yè)產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的組件或系統(tǒng)：設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將用于商業(yè)化的生產(chǎn)和銷售，其需求的數(shù)量及產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和精密度，可按市場的要求而定。階段：概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及CAD和仿真等

第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3）多能量域耦合要求知識(shí)學(xué)科跨度大建模、分析難度大計(jì)算量大特點(diǎn)：目的：設(shè)計(jì)階段比較方案，檢驗(yàn)掩模/工藝可行性1、MEMS的CAD1）微小結(jié)構(gòu)尺寸尺度效應(yīng)對(duì)工作機(jī)理的影響晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)材料性質(zhì)的影響2）MEMS制造工藝工藝可能改變材料機(jī)械/電性質(zhì)與微電子聯(lián)系緊密第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素對(duì)商業(yè)產(chǎn)品而言，五個(gè)因素都很重要；對(duì)儀器研發(fā)而言，有必要關(guān)注以上所有的因素，而且與使用的制作技術(shù)有關(guān)；對(duì)于技術(shù)探索來說，則可暫不必考慮市場需求?？傮w而言，掌握相關(guān)技術(shù)無論對(duì)哪種目的的設(shè)計(jì)都十分重要。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2、MEMS建模所謂建模，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的某一特定的研究對(duì)象，為達(dá)到某種特定的目的，做一些必要的簡化和假設(shè)，根據(jù)物理學(xué)的基本規(guī)律，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到一種數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來描述研究對(duì)象的物理本質(zhì)。它可能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)形態(tài)，也可能預(yù)測研究對(duì)象的未來狀況，還可能提供最佳的設(shè)計(jì)方案和最佳的控制方法。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2、MEMS建模建模過程

工程實(shí)際狀態(tài)的模型化物理模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立仿真驗(yàn)?zāi)＝Ｒ笳_性可視性網(wǎng)格劃分的適用性目的：對(duì)實(shí)際工程狀態(tài)的特性進(jìn)行分析計(jì)算第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六五、MEMS設(shè)計(jì)的具體方法A.微分方程組求解法物理有效量多與時(shí)間和空間有關(guān)，因此求解較難數(shù)學(xué)近似方法：將微分轉(zhuǎn)換為差分等B.有限元方法將研究對(duì)象物理近似成模型數(shù)學(xué)近似方法：離散化兩種分析方法第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六有限元方法簡介有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元以結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為媒體，以有限元程序?yàn)橹黧w，對(duì)大型結(jié)構(gòu)工程的數(shù)值計(jì)算方法。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目簡單單元的組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對(duì)離散單元進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六MEMS設(shè)計(jì)軟件ANSYSMEMSPROIntellisuiteCoventerWARECOMSOLMultiphysics第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六ANSYS簡介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊（preprocessing）、分析計(jì)算模塊（solution）和后處理模塊（postprocessing）。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六1ANSYS在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用直接耦合方法——受到耦合許可的限制序貫耦合方法——對(duì)一個(gè)物理場進(jìn)行分析后，將結(jié)果輸入到隨后的另一個(gè)物理分析中，只要非線性程度不高，序貫耦合分析是有效的多物理場耦合問題模塊——結(jié)構(gòu)、電磁、熱傳導(dǎo)、聲學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六靜態(tài)分析——求變形、電場、磁通密度及應(yīng)力分布等模態(tài)分析——求固有頻率和振型諧波響應(yīng)分析——求對(duì)諧波載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)分析——求系統(tǒng)對(duì)任意隨時(shí)間變化載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)。壓電分析問題微細(xì)化處理問題網(wǎng)格直接局部細(xì)分法欠缺尺度效應(yīng)的考慮第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六ANSYS分析基本過程

ANSYS分析過程包含三個(gè)主要的步驟：1創(chuàng)建有限元模型并劃分網(wǎng)格2施加載荷并求解3后處理過程第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六定義工程名稱和分析標(biāo)題定義單位定義單元類型定義單元實(shí)常數(shù)定義材料特性創(chuàng)建有限元模型定義材料屬性劃分網(wǎng)格定義分析類型施加載荷求解查看計(jì)算結(jié)果前處理求解后處理具體步驟第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六COMSOL簡介COMSOLMultiphysics是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，由瑞典的COMSOL公司開發(fā)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，適用于模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。COMSOLMultiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了任意多物理場的高度精確的數(shù)值仿真，在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用。第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六COMSOLMultiphysics集前處理器、求解器和后處理器于一體，在同一個(gè)圖形化操作界面中可以完成幾何建模、網(wǎng)格剖分、方程和邊界參數(shù)設(shè)定、求解以及后處理。OMSOLMultiphysics提供豐富的工具，供用戶在圖形化界面中構(gòu)建自己的幾何模型，例如1D中通過點(diǎn)、線，2D中可以通過點(diǎn)、線、矩形、圓/橢圓、貝塞爾曲線等，3D中通過球/橢球、立方體、臺(tái)、點(diǎn)、線等構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)，另外，通過鏡像、復(fù)制、移動(dòng)、比例縮放等工具對(duì)幾何對(duì)象進(jìn)行高級(jí)操作，還可以通過布爾運(yùn)算方式進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)之間的切割、粘合等操作。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2COMSOL在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用COMSOLMultiphysics的微機(jī)電模塊（MEMS）包含了從微觀流體學(xué)、電磁-結(jié)構(gòu)、溫度–結(jié)構(gòu)和流體-結(jié)構(gòu)的相互耦合的預(yù)設(shè)分析功能。前身FEMLAB軟件，為MATLAB中的一個(gè)子模塊，所以具有與MATLAB天生的無縫連接能力。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六噴墨打印機(jī)簡介噴墨打印機(jī)按工作原理可分為固體噴墨和液體噴墨兩種（現(xiàn)在又以后者更為常見），而液體噴墨方式又可分為氣泡式（canon和hp）與液體壓電式（epson）。氣泡技術(shù)（bubblejet）是通過加熱噴嘴，使墨水產(chǎn)生氣泡，噴到打印介質(zhì)上的。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六液體噴墨打印機(jī)按打印頭的工作方式可以分為壓電噴墨技術(shù)和熱噴墨技術(shù)兩大類型。壓電噴墨技術(shù)是將許多小的壓電陶瓷放置到噴墨打印機(jī)的打印頭噴嘴附近，利用它在電壓作用下會(huì)發(fā)生形變的原理，適時(shí)地把電壓加到它的上面。壓電陶瓷隨之產(chǎn)生伸縮使噴嘴中的墨汁噴出，在輸出介質(zhì)表面形成圖案。熱噴墨技術(shù)是讓墨水通過細(xì)噴嘴，在強(qiáng)電場的作用下，將噴頭管道中的一部分墨汁氣化，形成一個(gè)氣泡，并將噴嘴處的墨水頂出噴到輸出介質(zhì)表面，形成圖案或字符。所以這種噴墨打印機(jī)有時(shí)又被稱為氣泡打印機(jī)。噴頭工藝比較成熟成本也很低廉，但是效果相對(duì)前者而言較差。第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六動(dòng)畫第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六思考題MEMS的設(shè)計(jì)涉及那些學(xué)科？簡述MEMS的設(shè)計(jì)方法及特點(diǎn)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常有幾種方法？其主要思路是什么？試舉例說明。在MEMS產(chǎn)品中如何應(yīng)用尺度效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)？其根據(jù)是什么？對(duì)于一階尺度，如表面—體積尺度變化規(guī)律是什么？什么是微觀力學(xué)？其基本假設(shè)是什么？簡述如何應(yīng)用ANASYS和COMSOL軟件進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)