MEMS Module

Für MEMS-Simulationen (Mikroelektromechanische Systeme)

MEMS Module

Ein Drucksensor erfasst den Druck anhand der Kapazitätsänderung, die sich entsprechend der Deformation der Struktur ergibt. Die Deformation hängt von Umgebungsdruck und -temperatur, von den verwendeten Materialien und von den Vorspannungen im Material ab.

Simulation von MEMS (Mikroelektromechanische Systeme)

Das Entwerfen und Modellieren von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) ist eine einzigartige technische Disziplin. Bei kleinen Längenskalen müssen für das Entwerfen von Resonatoren, Gyroskopen, Beschleunigungssensoren und Aktoren die Auswirkungen von mehreren physikalischen Phänomenen in deren Betrieb berücksichtigt werden. Infolgedessen ist COMSOL Multiphysics ideal für MEMS-Anwendungen geeignet. Zu diesem Zweck stellt das MEMS Module vordefinierte Benutzerinterfaces mit zugehörigen Modellierwerkzeugen für eine Vielzahl gekoppelter physikalischer Effekte bereit. Dazu gehören beispielsweise Elektromagnetik-Struktur-, Thermo-Struktur- oder Fluid-Struktur-Wechselwirkungen. Sie können viele Dämpfungsphänomene in Ihr Modell einbeziehen: Dünnschicht-Gasdämpfung, anisotrope Verlustfaktoren für Festkörper und Piezomaterialien, Ankerdämpfung und thermoelastische Dämpfung. Für elastische Schwingungen und Wellen bieten PMLs (Perfectly Matched Layers) eine moderne Absorptionsmethode für die ausgehenden elastischen Wellen.

Die klassenbesten Modellierungswerkzeuge ermöglichen piezoelektrische und piezoresistive Simulationen, in denen piezoelastische dielektrische Materialien in jeder denkbaren Konfiguration kombiniert werden können. Das MEMS Module umfasst stationäre und zeitabhängige Analysen sowie vollständig gekoppelte Eigenfrequenz-, parametrische-, quasistatische- und Frequenzbereichs-Analysen. Sie können mühelos eine komplette Parameterextraktion von Kapazität, Impedanz und Admittanz ausführen und über SPICE-Netzlisten Verbindungen zu externen elektrischen Schaltkreisen herstellen. Aufbauend auf den Kernkompetenzen von COMSOL Multiphysics® dient das MEMS Module dazu, nahezu jedes mikromechanische Phänomen zu untersuchen.

Weitere Bilder

  • ELEKTROSTATISCH ANGEREGTE RESONATOREN: Simulation eines elektrostatisch angeregten MEMS-Resonators. Für die Simulation wird das Elektromechanik-Interface des MEMS Module verwendet. ELEKTROSTATISCH ANGEREGTE RESONATOREN: Simulation eines elektrostatisch angeregten MEMS-Resonators. Für die Simulation wird das Elektromechanik-Interface des MEMS Module verwendet.
  • QUARZRESONATOR: Die mechanische Reaktion eines Quarzoszillators für Dickenscherschwingungen zusammen mit einem Diagramm, das die Auswirkung einer Serienkapazität auf den Frequenzbereich zeigt. QUARZRESONATOR: Die mechanische Reaktion eines Quarzoszillators für Dickenscherschwingungen zusammen mit einem Diagramm, das die Auswirkung einer Serienkapazität auf den Frequenzbereich zeigt.
  • THERMISCHER AKTOR: In der oberen Darstellung wird die Temperatur in einem verformten, mit Joulsche Erwärmung erhitzten thermischen Aktor  dargestellt. Unten  wird die Stromdichteverteilung angezeigt. THERMISCHER AKTOR: In der oberen Darstellung wird die Temperatur in einem verformten, mit Joulsche Erwärmung erhitzten thermischen Aktor dargestellt. Unten wird die Stromdichteverteilung angezeigt.
  • PIEZORESISTIVE SENSOREN: Das Spannungsfeld in einem piezoresitiven Sensor, das mit dem in das MEMS Module integrierten Physikinterface für piezoresistive Materialien berechnet wurde. PIEZORESISTIVE SENSOREN: Das Spannungsfeld in einem piezoresitiven Sensor, das mit dem in das MEMS Module integrierten Physikinterface für piezoresistive Materialien berechnet wurde.
  • THERMOELASTIZITÄT: Thermoelastische Dämpfung ist ein wichtiger Faktor für das Entwerfen von MEMS-Resonatoren. Die periodische Deformation des Resonators erzeugt lokale Temperaturschwankungen und eine thermische Ausdehnung des Materials, die sich als Dämpfung bemerkbar machen. THERMOELASTIZITÄT: Thermoelastische Dämpfung ist ein wichtiger Faktor für das Entwerfen von MEMS-Resonatoren. Die periodische Deformation des Resonators erzeugt lokale Temperaturschwankungen und eine thermische Ausdehnung des Materials, die sich als Dämpfung bemerkbar machen.

Workflow für das Modellieren von MEMS-Bauteilen

Wenn Sie ein MEMS-Bauteil modellieren, definieren Sie zunächst die Geometrie in der Software, indem Sie die eingebauten Modellierungswerkzeuge von COMSOL verwenden oder ein CAD-Modell importieren. Um CAD-Modelle zu importieren, verwenden Sie entweder das CAD Import Module oder eines der LiveLink-Produkte für CAD. Elektroniklayouts können mit dem ECAD Import Module importiert werden. Nachdem das Geometriemodell definiert ist, besteht der nächste Schritt darin, geeignete Materialien auszuwählen und ein entsprechendes Physikinterface hinzuzufügen. Mit diesem Interface müssen Anfangs- und Randbedingungen konfiguriert werden. Anschließend definieren Sie das Netz und wählen einen Löser aus. Am Ende der Berechnung können Sie die Ergebnisse visualisieren, verarbeiten und exportieren. Diese Schritte führen Sie alle über den COMSOL Desktop® aus. Die Löser werden automatisch mit den Standardeinstellungen konfiguriert, die bereits für jedes spezielle Interface optimiert sind. Der erfahrene Benutzer hat aber die Möglichkeit, auf die Lösereinstellungen zuzugreifen und diese zu ändern.

Sie können Ihre MEMS-Simulationen auch über Microsoft® Excel® einbinden. LiveLink for Excel® ermöglicht es Ihnen, Simulationen aus dem Excel®-Interface zu steuern sowie Ergebnisse und Materialien zu importieren/exportieren. Wenn Sie eine Skriptumgebung vorziehen, stellt LiveLink for MATLAB® einige sehr leistungsfähige MATLAB®-kompatible Befehle bereit, sofern COMSOL Multiphysics und MATLAB zusammen installiert sind. Auf diese Weise können COMSOL-Simulationen in MATLAB-Programme eingebunden werden. Sie können Ergebnisse aus einem COMSOL-Modell in die MATLAB-Umgebung exportieren, wozu auch das Untersuchen der Steifigkeits- und Systemmatrizen gehört.

Elektrostatische Aktoren und Elektromechanik

Elektrostatische Kräfte haben eine grössere Auswirkung, wenn die Bauteilabmessungen verringert werden; eine Tatsache, die in MEMS berücksichtigt wird. Eine typische Anwendung des MEMS Module in diesem Bereich bezieht sich auf elektrostatisch angeregte MEMS-Resonatoren, die mit einer angelegten DC-Vorspannung betrieben werden. Das MEMS Module stellt ein zugehöriges Physikinterface für die Elektromechanik bereit, mit dem die Änderung der Resonanzfrequenz bei angelegter DC-Vorspannung für MEMS-Resonatoren berechnet wird – die Frequenz verringert sich mit der angelegten Spannung aufgrund des Weichwerdens des gekoppelten elektromechanischen Systems. Die kleine Größe des Bauteils bewirkt sogar bei einer einfachen Biegeschwingung eine Resonanzfrequenz im MHz-Bereich. Außerdem ermöglicht die deutliche Werteänderung der elektromagnetischen Kräfte eine effiziente kapazitive Aktivierung, die im großen Maßstab nicht möglich wäre. Die Modellbibliothek, die zum MEMS Module gehört, enthält ausführliche Beispiele mit schrittweisen Anleitungen für elektrostatisch angeregte MEMS-Resonatoren. Außerdem können Sie das Elektromechanik-Interface dazu verwenden, die Auswirkungen der isotropen Elektrostriktion einzubeziehen.

Piezoelektrische Bauteile

Piezoelektrische Kräfte haben eine grössere Auswirkung, wenn die Gerätemaße verkleinert werden. Außerdem sind piezoelektrische Sensoren und Aktoren weitestgehend linear und benötigen im Betrieb keinen Gleichstrom. Quarz-Frequenzreferenzen können als die MEMS-Komponenten angesehen werden, die derzeit mit den höchsten Stückzahlen produziert werden – über 1 Milliarde Komponenten werden pro Jahr hergestellt. Die Physikinterfaces des MEMS Module sind in einzigartiger Weise dazu geeignet, Quarzoszillatoren sowie viele weitere piezoelektrische Bauteile zu simulieren.

Eines der Beispiele, die mit dem MEMS Module geliefert werden, veranschaulicht die mechanische Reaktion eines Quarzoszillators für Dickenscherschwingungen zusammen mit einer Serienkapazität und deren Auswirkung auf den Frequenzgang. Eine Serienkapazität wird häufig dazu verwendet, die Resonanz eines Quarzoszillators abzustimmen oder anzuziehen, und das MEMS Module ermöglicht es, für solche kombinierten Simulationen 2D- und 3D-Modelle mit SPICE-Schaltkreisen zu kombinieren.

Thermische Aktoren und Thermische Spannung

Thermische Kräfte ändern sich im Vergleich zu Trägheitskräften weitgehend kongruent. Dies erhöht die Reaktionszeit thermischer Aktoren bei der Nutzung im Mikromaßstab. Dennoch sind thermische Aktoren üblicherweise langsamer als kapazitive oder piezoelektrische Aktoren. Thermische Aktoren können außerdem einfach in Halbleiterprozesse integriert werden, haben allerdings den Nachteil, dass sie normalerweise viel Energie im Vergleich zu ihren elektrostatischen und piezoelektrischen Gegenstücken verbrauchen. Das MEMS Module kann Joulsche Erwärmung mit thermischen Spannungen koppeln, wobei die Simulationen die Details zur Verteilung der ohmschen Verluste enthalten. Thermische Effekte spielen auch eine Rolle in der Fertigung von vielen kommerziellen MEMS-Technologieprodukten mit thermischen Spannungen in Dünnschichten, die für viele Anwendungen kritisch sind. Das MEMS Module umfasst spezielle Physikinterfaces zur Berechnung von thermischen Spannungen mit umfangreichen Nachbearbeitungs- und Darstellungsfunktionen. Dazu gehören Spannungs- und Dehnungsfelder, Hauptspannung und -dehnung, Verschiebungsfelder und vieles mehr.

Flexible und offene Architektur

In COMSOL steht die Physik im Vordergrund. Daher bekommen Sie die Möglichkeit, auf die den physikalischen Phänomenen zugrundeliegenden Gleichungssysteme zuzugreifen. Die Möglichkeit, dem System benutzerdefinierte Gleichungen und Ausdrücke hinzufügen zu können, sorgt für große Flexibilität. Wenn Sie beispielsweise Joulsche Erwärmung in einem Bauteil modellieren möchten, die temperaturabhängige elastische Eigenschaften besitzt, geben Sie einfach die elastischen Konstanten als Funktion der Temperatur ein. Dazu müssen weder Skripte noch Programmcode geschrieben werden. Beim Kompilieren der Gleichungen bezieht COMSOL automatisch die Kopplungen, die durch diese benutzerdefinierten Ausdrücke erzeugt werden, in das Gleichungssystem ein. Die Gleichungen werden anschließend mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und mithilfe einer Reihe leistungsstarker Löser gelöst. Sobald die jeweilige Lösung bereitsteht, können Sie diverse Nachbearbeitungswerkzeuge dazu verwenden, die Daten abzufragen, und es werden vordefinierte Plots zur Darstellung der Ergebnisse automatisch generiert. COMSOL bietet Ihnen die Flexibilität, eine Reihe physikalischer Größen auszuwerten- dazu gehören vordefinierte Größen wie Temperatur, elektrisches Feld oder Spannungstensor (die über benutzerfreundliche Menüs verfügbar sind), sowie beliebige benutzerdefinierte Ausdrücke.

Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) und Dünnschichtdämpfung

Fluidische MEMS-Bauteile bzw. mikrofluidische Bauteile sind ein zunehmend wichtiger Bereich von MEMS. COMSOL stellt ein gesondertes Microfluidics Module bereit, in dem speziell diese Anwendungen thematisiert werden. Allerdings beinhaltet das MEMS Module maßgebliche mikrofluidbezogene Funktionalität für ein Simulieren der Wechselwirkungen zwischen MEMS-Strukturen und Fluiden. Im FSI-Multiphysikinterface (Fluid-Structure Interaction) werden Fluidströmungen mit Festkörpermechanik kombiniert, um die Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Festkörperstrukturen zu erfassen. Mit den Interfaces Festkörpermechanik und Laminare Strömung werden der jeweilige Festkörper und das Fluid modelliert. Die Fluid-Struktur-Kopplungen treten an den Grenzflächen zwischen dem Fluid und dem Festkörper auf und können sowohl den Fluiddruck und viskose Kräfte als auch die Kräfteübertragung vom Festkörper zum Fluid beinhalten – bidirektionale Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur. Die Methode für das FSI Interface wird als ALE-Methode (Arbitrary Lagrangian Eulerian) bezeichnet.

Dämpfungskräfte von der FSI sind oftmals entscheidend für MEMS-Bauteile , weshalb sie häufig eine Vakuumverpackung erfordern. Das MEMS Module besitzt spezielle Physikinterfaces für die Dünnschichtdämpfung, in denen die Reynolds-Gleichung gelöst wird, um die Strömungsgeschwindigkeiten und die auf die angrenzenden Flächen wirkenden Kräfte zu berechnen. Mit diesen Interfaces können Druckschicht- und Gleitschichtdämpfungen für einen großen Druckbereich modelliert werden (Verdünnungseffekte können einbezogen werden). Die Dünnschichtdämpfung ist bei beliebigen Oberflächen in 3D verfügbar und kann direkt an 3D-Festkörper gekoppelt werden.

Piezoresistive Sensoren

Der piezoresistive Effekt bezieht sich auf die Änderung der Leitfähigkeit eines Materials, die als Reaktion auf einwirkende Belastungskräfte auftritt. Die einfache Integration von kleinen Piezowiderständen in Standardhalbleiterprozesse hat zusammen mit der weitgehend linearen Sensorreaktion dazu geführt, dass diese Technologie insbesondere in der Drucksensorbranche unverzichtbar geworden ist. Für das Modellieren von piezoresistiven Sensoren stellt das MEMS Module verschiedene spezielle Physikinterfaces für Piezoresistivität in Festkörpern oder Schalen bereit. Wird das MEMS Module mit dem Structural Mechanics Module kombiniert, wird ein Piezoresistivität-Physikinterface für dünne Schalen aktiviert.

Festkörpermechanik

Das Festkörpermechanik-Interface wird für Spannungsanalysen sowie allgemeine lineare und nicht lineare Festkörpermechanik verwendet, wobei nach den Verschiebungen gelöst wird. Das MEMS Module umfasst linear-elastische und linear-viskoelastische Materialmodelle. Darüber hinaus können Sie das MEMS Module um das Nonlinear Structural Materials Module ergänzen, um auch nicht lineare Materialmodelle einzubeziehen. Die Materialmodelle können mit Funktionen für thermische Ausdehnung, Dämpfung sowie Anfangsspannung- und -dehnung erweitert werden. Durch die Möglichkeit verschiedene Quellen für Anfangsdehnungen zu berücksichtigen, können beliebige, nicht-elastische Dehnungsanteile eingebunden werden, die aus unterschiedlichen physikalischen Quellen stammen. Die Beschreibung elastischer Materialien im Modul umfasst isotrope, orthotrope und anisotrope Materialien.

Thermoelastizität

Das Physikinterface für Thermoelastizität wird dazu verwendet, linear thermoelastische Materialien zu modellieren. Es berechnet die Verschiebung der Struktur, die Temperaturabweichungen sowie die sich ergebende Wärmeübertragung, die durch die thermoelastische Kopplung verursacht wird. Thermoelastizität ist unverzichtbar, wenn hochwertige MEMS-Resonatoren modelliert werden sollen.

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Composite Piezoelectric Transducer

Capacitive Pressure Sensor

Microresistor Beam

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Electrostatically Actuated Cantilever

SAW Gas Sensor

Thermal Stresses in a Layered Plate

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator

Biased Resonator Models (3D)

Prestressed Micromirror