微机电系统第二章MEMS设计基础

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1、Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微机电系统杨大勇第二章MEMS设计基础内容提要硅晶体结构与微观力学微尺度效应MEMS中的材料应用及进展MEMS设计的基本问题MEMS设计的具体方法提问MEMS的分类和特点？MEMS的典型产品有哪些？分别应用在哪些领域？MEMS的设计涉及那些学科？可以用作MEMS中的材料有哪些？四、MEMS设计的基本问题MEMS设计的目的分为三类：(1)作为技术探索而设计的组件或系统：一般是为了验证研究者的某种设计思想，测试某种制作工艺的合理性与局限性，因此，只需制

2、作少量的试样就够了。(2)作为仪器研发而设计的组件或系统：设计的设备将用于完成某种科研活动或某种高度专业化的任务，对这种目的的设计，必须注意仪器、设备的准确性，而对产品需求的数量可视具体情况而定。(3)作为商业产品而设计的组件或系统：设计的产品将用于商业化的生产和销售，其需求的数量及产品的准确性和精密度，可按市场的要求而定。阶段：概念设计、基本设计、详细设计以及CAD和仿真等3）多能量域耦合要求知识学科跨度大建模、分析难度大计算量大特点：目的：设计阶段比较方案，检验掩模/工艺可行性1、MEMS的CAD1）微小结构尺寸尺度

3、效应对工作机理的影响晶体内部结构对材料性质的影响2）MEMS制造工艺工艺可能改变材料机械/电性质与微电子联系紧密设计时需要考虑的几个因素对商业产品而言，五个因素都很重要；对仪器研发而言，有必要关注以上所有的因素，而且与使用的制作技术有关；对于技术探索来说，则可暂不必考虑市场需求。总体而言，掌握相关技术无论对哪种目的的设计都十分重要。2、MEMS建模所谓建模，是对现实世界中的某一特定的研究对象，为达到某种特定的目的，做一些必要的简化和假设，根据物理学的基本规律，运用适当的数学工具，得到一种数学表达式，用来描述研究对象的物理

4、本质。它可能解释特定现象的现实形态，也可能预测研究对象的未来状况，还可能提供最佳的设计方案和最佳的控制方法。2、MEMS建模建模过程工程实际状态的模型化物理模型的建立数学模型的建立仿真验模建模要求正确性可视性网格划分的适用性目的：对实际工程状态的特性进行分析计算五、MEMS设计的具体方法A.微分方程组求解法物理有效量多与时间和空间有关，因此求解较难数学近似方法：将微分转换为差分等B.有限元方法将研究对象物理近似成模型数学近似方法：离散化两种分析方法有限元方法简介有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算

5、方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元以结构力学和弹性力学为理论基础，以计算机为媒体，以有限元程序为主体，对大型结构工程的数值计算方法。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目简单单元的组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散单元进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析。MEMS设计软件ANSYSMEMSPROIntellisuiteCoventerW

6、ARECOMSOLMultiphysicsANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件主

7、要包括三个部分：前处理模块（preprocessing）、分析计算模块（solution）和后处理模块（postprocessing）。1ANSYS在MEMS设计中的应用直接耦合方法——受到耦合许可的限制序贯耦合方法——对一个物理场进行分析后，将结果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程度不高，序贯耦合分析是有效的多物理场耦合问题模块——结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等静态分析——求变形、电场、磁通密度及应力分布等模态分析——求固有频率和振型谐波响应分析——求对谐波载荷（电流、电压和力等）的响应瞬态响应分析——

8、求系统对任意随时间变化载荷（电流、电压和力等）的响应。压电分析问题微细化处理问题网格直接局部细分法欠缺尺度效应的考虑ANSYS分析基本过程ANSYS分析过程包含三个主要的步骤：1创建有限元模型并划分网格2施加载荷并求解3后处理过程定义工程名称和分析标题定义单位定义单元类型定义单元实常数定义材料特性创建有限元模型定义材