Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微機電系統(tǒng)第二章

MEMS設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容提要硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)微尺度效應(yīng)MEMS中的材料應(yīng)用及進展MEMS設(shè)計的基本問題MEMS設(shè)計的具體方法提問MEMS的分類和特點？MEMS的典型產(chǎn)品有哪些？分別應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？MEMS的設(shè)計涉及那些學(xué)科？可以用作MEMS中的材料有哪些？3）多能量域耦合要求知識學(xué)科跨度大建模、分析難度大計算量大特點：目的：設(shè)計階段比較方案，檢驗掩模/工藝可行性1、MEMS的CAD1）微小結(jié)構(gòu)尺寸尺度效應(yīng)對工作機理的影響晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對材料性質(zhì)的影響2）MEMS制造工藝工藝可能改變材料機械/電性質(zhì)與微電子聯(lián)系緊密設(shè)計時需要考慮的幾個因素對商業(yè)產(chǎn)品而言，五個因素都很重要；對儀器研發(fā)而言，有必要關(guān)注以上所有的因素，而且與使用的制作技術(shù)有關(guān)；對于技術(shù)探索來說，則可暫不必考慮市場需求?？傮w而言，掌握相關(guān)技術(shù)無論對哪種目的的設(shè)計都十分重要。2、MEMS建模所謂建模，是對現(xiàn)實世界中的某一特定的研究對象，為達到某種特定的目的，做一些必要的簡化和假設(shè)，根據(jù)物理學(xué)的基本規(guī)律，運用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到一種數(shù)學(xué)表達式，用來描述研究對象的物理本質(zhì)。它可能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實形態(tài)，也可能預(yù)測研究對象的未來狀況，還可能提供最佳的設(shè)計方案和最佳的控制方法。五、MEMS設(shè)計的具體方法A.微分方程組求解法物理有效量多與時間和空間有關(guān)，因此求解較難數(shù)學(xué)近似方法：將微分轉(zhuǎn)換為差分等B.有限元方法將研究對象物理近似成模型數(shù)學(xué)近似方法：離散化兩種分析方法有限元方法簡介有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元以結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計算機為媒體，以有限元程序為主體，對大型結(jié)構(gòu)工程的數(shù)值計算方法。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目簡單單元的組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散單元進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析。MEMS設(shè)計軟件ANSYSMEMSPROIntellisuiteCoventerWARECOMSOLMultiphysics1ANSYS在MEMS設(shè)計中的應(yīng)用直接耦合方法——受到耦合許可的限制序貫耦合方法——對一個物理場進行分析后，將結(jié)果輸入到隨后的另一個物理分析中，只要非線性程度不高，序貫耦合分析是有效的多物理場耦合問題模塊——結(jié)構(gòu)、電磁、熱傳導(dǎo)、聲學(xué)、流體動力學(xué)等靜態(tài)分析——求變形、電場、磁通密度及應(yīng)力分布等模態(tài)分析——求固有頻率和振型諧波響應(yīng)分析——求對諧波載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)分析——求系統(tǒng)對任意隨時間變化載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)。壓電分析問題微細化處理問題網(wǎng)格直接局部細分法欠缺尺度效應(yīng)的考慮ANSYS分析基本過程

ANSYS分析過程包含三個主要的步驟：1創(chuàng)建有限元模型并劃分網(wǎng)格2施加載荷并求解3后處理過程COMSOL簡介COMSOLMultiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件，由瑞典的COMSOL公司開發(fā)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，適用于模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。COMSOLMultiphysics以高效的計算性能和杰出的多場直接耦合分析能力實現(xiàn)了任意多物理場的高度精確的數(shù)值仿真，在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用。COMSOLMultiphysics集前處理器、求解器和后處理器于一體，在同一個圖形化操作界面中可以完成幾何建模、網(wǎng)格剖分、方程和邊界參數(shù)設(shè)定、求解以及后處理。OMSOLMultiphysics提供豐富的工具，供用戶在圖形化界面中構(gòu)建自己的幾何模型，例如1D中通過點、線，2D中可以通過點、線、矩形、圓/橢圓、貝塞爾曲線等，3D中通過球/橢球、立方體、臺、點、線等構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)，另外，通過鏡像、復(fù)制、移動、比例縮放等工具對幾何對象進行高級操作，還可以通過布爾運算方式進行幾何結(jié)構(gòu)之間的切割、粘合等操作。2COMSOL在MEMS設(shè)計中的應(yīng)用COMSOLMultiphysics的微機電模塊（MEMS）包含了從微觀流體學(xué)、電磁-結(jié)構(gòu)、溫度–結(jié)構(gòu)和流體-結(jié)構(gòu)的相互耦合的預(yù)設(shè)分析功能。前身FEMLAB軟件，為MATLAB中的一個子模塊，所以具有與MATLAB天生的無縫連接能力。噴墨打印機簡介噴墨打印機按工作原理可分為固體噴墨和液體噴墨兩種（現(xiàn)在又以后者更為常見），而液體噴墨方式又可分為氣泡式（canon和hp）與液體壓電式（epson）。氣泡技術(shù)（bubblejet）是通過加熱噴嘴，使墨水產(chǎn)生氣泡，噴到打印介質(zhì)上的。動畫思考題MEMS的設(shè)計涉及那些學(xué)科？簡述MEMS的設(shè)計方法及特點工程系統(tǒng)設(shè)計通常有幾種方法？其主要思路是什么？試舉例說明。在MEMS產(chǎn)品中如何應(yīng)用尺度效應(yīng)進行設(shè)計？其根據(jù)是什么？對于一階尺度，如表面—體積尺度變化規(guī)律是什么？什么是微觀力學(xué)？其基本假設(shè)是什么？簡述如何應(yīng)用ANASYS和COMSOL軟件進行MEMS設(shè)計。MEMS中如何應(yīng)用CAD技術(shù)。作業(yè)閱讀RichardFeyman的Thereisp