上海安世亚太汇智科技股份有限公司欢迎您,咨询热线:021—58403100
Resources 资源中心
Hot Resources / 热门资源 More+
2021 - 01 - 20
作者:李桂花 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1199字,阅读时间预计4分钟编者按ICT技术已经是现代电子企业常用的测试技术,本文中作者使用ANSYS Sherlock软件进行ICT测试,评估由于过应力导致的风险组件,并根据结果提出改进措施。随着微电子技术和电子组装技术的发展,PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印刷电路板组件)布局和组装呈现出复杂化...
2021 - 01 - 13
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1435字,阅读时间预计5分钟编者按作者由浅入深,通过《数码宝贝》引申出数字孪生的发展历程与生活中的实际运用,分析了数字孪生运用中的重点及难点,最后通过案例展示了数字孪生的使用方式。或许大家有发现数字孪生的概念正慢慢地变得火热起来。不仅变成了众多行业、企业,各种大中小型研讨会追捧的话题,也成为了大家茶余饭后的谈资。数字孪生可以说1970年Apollo...
2021 - 01 - 07
作者:李超峰 上海安世亚太流体应用工程师文章发布:上海安世亚太官方订阅号(搜索:PeraShanghai)联系我们:021-58403100本文共计1371字,阅读时间预计4分钟编者按作者通过一个优化模具通道的案例进行分析和讲解,拆分了该案例的优化步骤,让我们清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在挤出工艺中的重要作用。背景挤出成型是聚合物、玻璃及食品加工连续性生产工艺的重要方法。由于聚合物在拉...
2020 - 12 - 16
作者:刘琼  上海安世亚太光学应用工程师文章首发:上海安世亚太官方订阅号(搜索:PeraShanghai)联系我们:021-58403100本文共计1609字,阅读时间预计5分钟编者按《赛博朋克 2077》作为最近大热的一款游戏,因其高还原度场景、酷炫的光影效果和未来感而令无数玩家心驰神往。那么这款游戏到底为什么比其他3D游戏画面更逼真呢?作者在文中对其进行了分析,让你更懂《赛博朋克 2...
2020 - 12 - 09
编译:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1816字,阅读时间预计6分钟编者按本篇内容原文来自LSTC公司,作者阐述了如何使用LS-PREPOST在LS-DYNA关键字模型中查找并移除交叉边缘和初始穿透。什么是穿透?交叉边缘/ Crossed edges单元的边缘穿过另一个shell单元中间表面,或表面穿过solid单元,在LS-DYNA中不是经典意义上的穿透。但是,在LS-DYN...
2020 - 11 - 25
作者:王晨希  上海安世亚太高频电磁高级技术专家本文共计2216字,阅读时间预计7分钟编者按作者分析了美国空军一号抵御核爆的秘密,包括如何抵御冲击波、核辐射以及电磁脉冲。在抵御电磁脉冲上,美国空军一号用了三层保护机制,可见对飞机这种精密电子飞行器杀伤力更大的当属电磁脉冲。大名鼎鼎的美国空军一号,美国总统的专属座机,被誉为世界上最安全的飞机。这架不同于任何传统客机的总统专机,拥有世界上最顶...

服务热线 / Service Hotline

021-58403100

中国 • 上海 • 地址

上海市静安区石门一路288号兴业太古汇一座1201~1204室

热线电话:021-58403100

邮箱地址:sh.marketing@peraglobal.com

客户微信:PeraHZtech

MEMS器件多物理场耦合仿真分析
单份价格:
市场价:

份数: - + 件(库存件)

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

介绍

编译:陈志梅 上海安世亚太结构应用工程师

原文:ANSYS

本文共计1789字,阅读时间预计6分钟。


编者按

作者在ANSYS Workbench平台上,利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT对MEMS器件(包括微镜)进行仿真模拟,解决与MEMS器件相关的多场耦合和结构非线性问题。

微镜是以单独或阵列形式用于显示器、便携式投影仪及其他光学设备的MEMS器件。为了聚焦光线于一组微镜,每个反射镜须随应用情况旋转角度,调节反射镜旋转角度会涉及到侧向偏移和扭转两种运动。

为解决这两种运动引起的问题,Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT开发了新的仿真过程,以改良MEMS微镜,促进其广泛应用。


挑战

许多MEMS器件如开关、陀螺仪和微镜都会经历大转动。这些器件中的开关通常是两端受约束并发生侧向偏移

这两种情况都会在有限元模拟中引入几何非线性效应,但引入几何非线性效应后会出现以下两个主要现象:

大挠度

当单元方向因转动而改变时,局部刚度会向整体转换。单元应变产生明显的面内应力(膜应力)时,面外刚度显著改变。

有应力刚化的大挠度

大的膜应力(SX)引起的硬化响应。随着垂直挠度的增加(UY),较大的膜应力(SX)导致刚化响应。


许多MEMS器件会同时表现出大挠度和应力刚化。在模拟过程中,如果不对这两个现象进行适当的处理,求解的结果将会出现明显偏差。


另一个影响因素被称为初始应力。其来自于MEMS制造过程,通常会在器件中留下明显的残余应力。残余应力显著影响器件在吸合电压、特征频率和偏转方面的性能特征。因此我们可以为选定的有限元指定初始应力状态,以模拟残余应力。


使用的仿真工具

ANSYS Mechanical

ANSYS ACT 


静电-结构耦合仿真

静电-结构耦合模拟对于表征微镜的动和吸合(pull-in)性能至关重要。

从往期研究分析中得知:平板在静电缝隙减小1/3时发生微镜的吸合;对于扭转致动而言:当边缘处的微镜缝隙减小约44%时发生吸合。电压若进一步增加可能会导致“灾难性”吸合,整个微镜结构会塌陷变形。

(注:摩擦力-MEMS设备中的重要考虑因素不包含在此分析中)

MEMS器件多物理场耦合仿真分析MEMS器件多物理场耦合仿真分析


◆ 微镜基底和驱动电极之间的静电狭缝为3μm。

◆ 电压从0 V升至50 V,然后又从50 V降至0V。虽然驱动要求可能仅需12 V,但在这里我们将使用幅值范围内的电压以研究整个MEMS器件的物理性能。

◆ 非线性机电转换单元(TRANS126)将被用于耦合机电场,因为TRANS126 EMT单元允许静电和结构的直接耦合,并且内置了接触功能,可阻止电极与对立的接地层之间的接触。

MEMS器件多物理场耦合仿真分析


TRANS126单元是用EMTGEN宏生成的。该宏需要MAPDL命令,这些命令通过在静态结构分析中插入命令流片段的方式输入,创建与微镜电极对应的节点组。

MEMS器件多物理场耦合仿真分析


假设驱动电极接触止推的偏移量为0.1μm。根据机电耦合模拟,绘制了微镜一侧底部边缘与另一侧顶部边缘在施加不同电压时的位移变化图

MEMS器件多物理场耦合仿真分析


结果

我们通过上述的仿真模拟过程,观察到了各种效果,包括迟滞、静电吸合、突陷和释放,获得了非线性的、与路径有关的结果。

当电压升高和降低时,微镜位移遵循不同的路径。吸合/突陷和相应的释放状态发生在不同的电压下。

升高电压

◆ 0<V≤14.44:旋转位移的稳定平衡状态
◆ 约14.46 V:静电吸合
◆ 14.48≤V≤40.25:微镜底边接触止推的吸合状态(微梁扭转弯曲)
◆ 大约40.31 V:静电突陷
◆ 40.38≤V≤50:微镜底边接触止推的塌陷状态(微梁垂直弯曲)

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在14.4375V时

结构处于扭转平衡状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在14.475V时

结构处于静电吸合

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在14.4375V时

结构处于扭转平衡状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在14.475V时

结构处于静电吸合


降低电压

◆ 50≥V≥10.60:结构保持塌陷状态
◆ 约10.58 V:从静电塌陷状态释放到吸合状态
◆ 10.55≥V≥2.45:结构保持在吸合状态
◆ 大约2.42 V:从静电吸合状态释放
◆ 2.40≥V>0:转动位移的稳定平衡状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在10.60V时

结构仍处于塌陷状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在10.55V时

结构被释放到吸合状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在2.45V时

结构仍处于吸合状态

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

在2.4V时

结构被释放到转动平衡状态


这是一个与路径相关的求解结果的示例:在给定的电压下,可能存在多个稳定的结果,这是非常困难的非线性问题。

需注意:如果此问题只使用一个载荷步来求解,外加电压为20V,则所获得的结果将对应的是静电塌陷状态,而不是吸合状态。因此,若非特定要求,保留子步或多载荷步很有用。



电-结构-流体瞬态耦合效应

接下来我们将利用TRANS126单元进行瞬态分析。

双向流固耦合(FSI)分析可以确定空气阻尼;所有结构都以某些形式表现出阻尼。因此,当瞬态结构分析包括阻尼时,我们可以求解逆向问题:通过FSI从相应空气阻尼结果确定瞬态结构阻尼的结果。

◆ MEMS结构的响应时间通常非常重要。

◆ 对于微镜尤其如此。

◆ 这里使用不同的基准几何:微梁的长度×宽度×厚度为200×14×20 μm,而非250×8×20 μm,即大大提高刚性,可使共振频率更高,响应时间更快。

模态结果

MEMS器件多物理场耦合仿真分析


前三阶模态最重要

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

1阶模态:关于y轴的旋转_梁扭转

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

2阶模态:水平/面内_梁y向弯曲

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

3阶模态:垂直/面外_梁z向弯曲


第三阶与更高模态之间频率差异较大

MEMS器件多物理场耦合仿真分析

◆ 在上图实体模型中,微梁上的锥度(圆角)被移除以便于网格划分

◆ 结构下方的气隙=静电狭隙=3μm

◆ 两侧的气隙为100μm

◆ 结构上方气隙为12μm

MEMS器件多物理场耦合仿真分析
MEMS器件多物理场耦合仿真分析


ANSYS ACT在没有任何命令的情况下展示了现有的MAPDL声学特性。这使您能够:

◆ 定义MEMS相关的多物理场单元

◆ 添加特定的MEMS材料属性

◆ 应用MEMS相应的边界条件


小结

在ANSYS Workbench平台上,利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解决与MEMS器件(包括微镜)相关的非常困难的非线性问题。


*本文版权归上海安世亚太所有,

如需转载,请与我们联系。

视频
文件下载
推荐 / Products
2021 - 01 - 20
作者:李桂花 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1199字,阅读时间预计4分钟编者按ICT技术已经是现代电子企业常用的测试技术,本文中作者使用ANSYS Sherlock软件进行ICT测试,评估由于过应力导致的风险组件,并根据结果提出改进措施。随着微电子技术和电子组装技术的发展,PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印刷电路板组件)布局和组装呈现出复杂化的趋势。PCB中的器件尺寸微型化、引脚间距紧凑化都使得 PCBA在极大程度上增大了产品失效的可能性。ICT技术ICT( In-Circuit Test),即在线测试技术,作为电子产品印制板组装加工中的重要测试手段,已为大多数现代化电子企业所采用。它使用一系列测试探针和测试夹具,在一个电路板的一面或两面来测试制造过程中的电气连接。每个测试探针施加一个力在一个特定的电路板位置,称为测试点,由设计确定。在测试过程中,所有这些测试点力的联合作用使电路板产生弯曲,如果应力值足够高,焊点可能会失效,PCB板上的元件也将产生超过允许范围的应力。图1  ICT测试仪图2 电路板常见的失效模式:陶瓷电容器的弯曲开裂、垫坑为了提前避免失误和发现问题,在生产过程中需要对ICT步骤进行应力应变测量并监控,以确定产品应力应变处于允许范围内。如果测量值超过了电路板允许的应力应变水平的最大值,将对电路板进行重新布局设计或者调整夹具设计,或者按要求改变流程,使得应力应变数值回到允许范围之内。ANSYS SherlockANSYS Sherlock软件是目前唯一一款基于可靠性物理的电子设计软件,能够在早期设计阶段为电子硬件的元器件、板件和系统级提供快速准确的寿命预测,其提供的ICT分析模块基于有限元算法可以快速对测试点和夹具施加的机械应力进行建模,并根据预测的电路板部件的应力对其进行打分,列出测...
2021 - 01 - 13
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1435字,阅读时间预计5分钟编者按作者由浅入深,通过《数码宝贝》引申出数字孪生的发展历程与生活中的实际运用,分析了数字孪生运用中的重点及难点,最后通过案例展示了数字孪生的使用方式。或许大家有发现数字孪生的概念正慢慢地变得火热起来。不仅变成了众多行业、企业,各种大中小型研讨会追捧的话题,也成为了大家茶余饭后的谈资。数字孪生可以说1970年Apollo 13事故中拯救了三位宇航员的模拟器是第一个数字孪生的应用。而概念上的起源是2002年Michael Grieves在密西根大学做演讲时在PLM概念模型中首次提出的现实与虚拟空间的概念,之后在其著作中被称之为镜像空间模型(Mirror Space Model),演化至今成为了数字孪生(Digital Twin)。数字孪生是一种超越现实的概念,如今可以被视为一个或多个重要且彼此依赖的装备系统间的数字映射系统。数字孪生是某个特定实体产品/系统的数字表示,能够更深入地洞察该产品的状态、性能和行为;能够实现系统设计、优化、预见性维护、优化工业产品管理。这种方式充分利用了物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成为一个多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。举个简单点的例子:不知道大家还是否记得《数码宝贝(Digital Monster)》 ,数码暴龙机与数码暴龙的结合就是比较典型的数字孪生早教片了。▲暴龙实体▲暴龙数字体这个听起来可能是养成 + 战斗类游戏,而反应在工业上严谨度会更高。类似的是:你有关心的重要设备(Monster)、各种不同的工况、不同的环境以及他们之间的影响(Buff),我们通过监控虚拟设备的运行情况,结合实际工况/数据的实时采集(HP/MP),能及时预测、发现并解决问题,使得系统良好运转(Fi...
2021 - 01 - 07
作者:李超峰 上海安世亚太流体应用工程师文章发布:上海安世亚太官方订阅号(搜索:PeraShanghai)联系我们:021-58403100本文共计1371字,阅读时间预计4分钟编者按作者通过一个优化模具通道的案例进行分析和讲解,拆分了该案例的优化步骤,让我们清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在挤出工艺中的重要作用。背景挤出成型是聚合物、玻璃及食品加工连续性生产工艺的重要方法。由于聚合物在拉伸和挤压过程中表现出复杂的粘弹性行为,因此熔体在模具中和自由端的流动行为非常复杂。目前主要采用实验方法和数学解析的方法来进行研究,前者由于需要反复模具试制、多次试模才能得到合格的产品,且一类经验在其他类型产品中复制性差,造成生成时间周期长,难以满足激烈的市场竞争需求;对于数学解析的方法,随着流变学的发展和计算机技术提高,使这种方法越来越成熟,ANSYS POLYFLOW经过多年的发展,目前已包括丰富的求解功能:可以求解的网格类型多包括三角形、四边形、四面体、六面体等,网格变形工具包括网格叠加技术、网格自适应、网格重构,适应求解网格大变形问题;对于前处理软件有很好的接口可以读入ANSYS meshing、ICEM、GAMBIT网格工具生成的网格;丰富的求解模型包括牛顿流体、广义牛顿流体、粘弹性流体等多种流变模型。因此,POLYFLOW特别适合应用于聚合物成型加工、玻璃工业及食品行业中的材料流动模拟。在塑料产品加工行业应用包括挤出成型、吹塑成型、拉丝、涂覆工艺的流动、传热问题。POLYFLOW在挤出成型中的优化应用在挤出成型中,挤出产品的形状是挤出口模设计的一个重要目标,而挤出胀大现象给具有形状和尺寸要求的模具设计带来了一定难度。另外,熔体流出口模截面速度的差异,同样会造成产品内应力增大,造成产品变形严重。对此,我们可以通过优化模具内部通道,改善出口截面流速的差异,...
地址:中国·上海·浦东新区平家桥路36号晶耀前滩5号楼901室
电话:+86 0755-2955 6666
传真:+86 0755-2788 8009
邮编:330520
Copyright ©2005 - 2013 上海安世亚太汇智科技股份有限公司
犀牛云提供企业云服务