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2020 - 09 - 23
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2020 - 09 - 09
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2020 - 09 - 02
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2020 - 08 - 26
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2020 - 08 - 19
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MEMS器件多物理场耦合仿真分析
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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。

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2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水,工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中,每一种仿真都需要不同的建模方法。40多年来,ANSYS开发了可以精确模拟多相流的仿真工具,已经被广泛运用在各个工业领域,以预测产品性能。精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测,但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在,工程师可以依靠多相流建模与仿真技术,深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。■ 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如,油气井底的流型可能完全是单相液体,但随着高度升高,气泡逐渐生成,流型会过渡到多相状态。因此在此类物理过程中,在不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。■ 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性,各相之间的合理模拟变得至关重要。▲ 油气井底部可能完全充满液体,但在上升过程中,压力下降,由于溶解气体析出,流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。自由表面流自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体,每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工艺可以说是百花齐放。但由于环保处理的对象具有极其复杂的来源,因此各种工艺和设备的处理效率仍需不断提高。这里就针对有机质固废集中处理中心的敞开式处理车间(低浓度臭气)和封闭罐装设备(高浓度臭气)的环境通风系统做一个评估。■ 处理车间的臭气产生量与处理废弃物种类、处理量、停留时间有关,这种环境下空气的换气率指标是有相应标准限定的。■ 对于封闭罐装设备来说,高浓度臭气的产量与种类、储量、时间、压力、温度等参数相关。有了这些基础数据以后,一般通风系统的管道布置设计就可以开始了,同时可以进行风机选型。由于垃圾处理中心处理的种类随着季节、处理量而变化,通风系统需要随之重新改造或升级。因此,对现有通风系统的评估和改造是相关企业经常面临的事。本文使用集成CFD程序的一维管网系统设计软件——Flownex,对垃圾处理中心的通风管路系统的局部管线进行模拟,评估现有运行参数下每一个吸风口的风量,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。Flownex软件简介Flownex是一款优秀的一维管网系统热流体设计、优化软件。■ 它在电力、核能、化工、船舶、燃机、建筑、天然气管网、航站楼飞机供油管路系统等领域都有广泛的运用。■ 它含有丰富的过流元件(图1所示)(如管道、阀门、换热器)、流动控制元件、动力元件(风机、水泵、压缩机、锅炉、燃烧室、核电反应堆等)、从动元件(汽轮机...
2020 - 09 - 09
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