Использование ANSYS для расчета MEMS-устройств

Дмитрий Захаров

В последнее время почти ни одна промышленная установка или прибор не обходится без применения каких-либо микроустройств. В связи с этим такие микроустройства получили собственную аббревиатуру — MEMS — микроэлектромеханические системы. Сенсоры подушки безопасности в автомобиле или печатающая головка струйного принтера — типичные примеры MEMS-устройств.

Характерные конструктивные особенности MEMS-устройства:

• Устройства, схожие со стандартными сенсорами и актуаторами, но гораздо меньших размеров.
• Размеры MEMS-устройства обычно не превышают нескольких квадратных миллиметров.
• MEMS-устройства могут быть многослойными структурами, выполненными с применением различных материалов, с толщиной каждого слоя порядка 5-100 мкм.
• Геометрия MEMS-устройств обычно подразумевает большой коэффициент соотношения сторон. Так, толщина слоя может быть порядка 1-10 мкм, а длина порядка сотен микрометров.

MEMS-устройства применяются в основном в автомобильной, аэрокосмической промышленности, а также в области информационных технологий/электроники.

В связи с особенностями геометрии MEMS-устройств для их расчета требуются большие вычислительные мощности.

Для расчета подобных задач идеально подходит ANSYS — распространенный сертифицированный (ISO 9001) пакет для расчета задач из области мультифизики. В его состав входит несколько быстрых и аккуратных решателей, позволяющих производить расчеты динамических процессов и переходных процессов. Специально для анализа MEMS-устройств в ANSYS был добавлен ряд новых элементов. Все это значительно упрощает и ускоряет процесс разработки микроустройства.

ANSYS позволяет проводить расчеты с применением MEMS-устройств в следующих областях:

• Электромеханический анализ.
• Электротепломеханический анализ.
• Высоко- и низкочастотный электромагнитный анализ.
• Пьезоэффект.
• Акустика.

Расчет MEMS-устройств с использованием ANSYS сводится, как правило, к трем этапам:

1. Расположение устройств, их структура разрабатываются в специализированных для этого программных пакетах для разработки микроустройств, таких как Vulcain и MEMS Pro (для создания модели устройства используется программа L-Edit).
2. Разработанная модель импортируется в расчетную среду ANSYS, где происходит задание граничных условий, задание или корректировка свойств материалов конструкции, разбиение на конечно-элементную сетку и, наконец, решение модели. Для расчета совместной задачи или переходного процесса этот этап может быть многошаговым.
3. По окончании расчета, например для электромеханического анализа, разработчик может передать некоторые расcчитанные при помощи ANSYS параметры обратно в специализированную среду для расчета MEMS-устройств. Обычно такими параметрами являются таблица перемещений или значение емкости. Если для расчетов MEMS-устройств используется Vulcain, то параметры передаются вручную, а в случае MEMS Pro используется программа T-Spice.

Преимуществом такой цепочки расчета является то, что ANSYS-Multiphysics с высокой точностью может решать совместные задачи.

Большинство расчетов MEMS-устройств не обходится без электромагнитного анализа. В ANSYS при расчете подобных задач существуют следующие возможности:

• Расчет переменного электрического и магнитного полей, а также переходных процессов с использованием для расчета элементов вплоть до 8-го порядка. Для описания модели возможно задание теплозависимых или нелинейных (с заданием В-Н кривой) материалов.
• Расчет собственных и совместных емкостей, индуктивности и сопротивления.
• Учет влияния вихревых токов на распределение электрического и магнитного полей.
• Расчет энергетических потерь.
• Расчет магнитных сил.
• Анализ электрических цепей (моделирование простейших элементов цепей, независимых источников, зависимых источников (ИТУТ, ИТУН, ИНУТ, ИНУН). Непосредственное включение в цепи конечноэлементных моделей элементов).
• Типы электромагнитного анализа:
• Магнитостатика (возможно моделирование постоянных магнитов).
• Электростатика.
• Постоянные токи.
• Низкочастотный гармонический (возможно моделирование катушек индуктивности, а также влияния движения модели на распределение электромагнитного поля).
• Переходные процессы.
• СВЧ (до 100 ГГц).
• Электрические цепи.

Кроме расчета MEMS-устройств, в промышленности ANSYS может использоваться для расчета и ряда других промышленных задач:

• Двигатели и микродвигатели.
• Электрические нагревательные установки.
• Дроссели и трансформаторы различной конфигурации.
• Расчет изоляции.
• Электрические фильтры и т.д.

Для проведения электромеханического расчета достаточно лишь использовать силы, полученные в результате электромагнитного анализа, в качестве начальных условий для механического расчета. Аналогичным образом происходит электротепломеханический анализ, то есть выходные данные по окончании электромагнитного анализа будут входными для теплового анализа, а входными данными для механического расчета будут результаты теплового анализа.

К достоинствам ANSYS следует отнести также совместимость почти со всеми современными CAD-системами, такими как Unigraphics, Pro/Engineer, Solid Works, AutoCAD и др.

«САПР и графика» 5'2000