微機(jī)電系統(tǒng)多場(chǎng)耦合仿真分析

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1、萬方數(shù)據(jù)第2卷第1期2004年3月動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)JOURNAL0FDYNAMICSANDCONTROLV01．2No．1Mar．2004引言微機(jī)電系統(tǒng)多場(chǎng)耦合仿真分析‘高行山h2趙亞溥2呂勝利1鄧子辰1(1．西北工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)系，西安710072)(2．中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100080)摘要在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)研究和設(shè)計(jì)中，微系統(tǒng)數(shù)值仿真分析是一個(gè)重要研究領(lǐng)域．本文對(duì)MEMS中多種能量場(chǎng)耦合問題的各種數(shù)值仿真分析方法進(jìn)行了綜合評(píng)述．分析了該領(lǐng)域目前的研究現(xiàn)狀并指出了其今后的發(fā)展方向．關(guān)鍵詞微電子機(jī)械

2、系統(tǒng)，能量場(chǎng)耦合，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)近年來，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料和生物醫(yī)學(xué)工程的迅猛發(fā)展，極大地推動(dòng)了微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展．MEMS是由特征尺寸在亞微米至毫米范圍內(nèi)的電子和機(jī)械元件組成的微器件或微系統(tǒng)，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，以提供一種或多種特定功能．目前，MEMS的研究正在從基礎(chǔ)研究階段逐步跨人研制開發(fā)與實(shí)用階段，但與此相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方法卻沒有同步的發(fā)展起來．長(zhǎng)期以來，MEMS的設(shè)計(jì)者不得不通過直接制造原型的方法來驗(yàn)證設(shè)計(jì)．這種制造過程無疑浪費(fèi)了大量的研制時(shí)聞和經(jīng)費(fèi)，因而不僅提高了研制成本，而且加大了研制周期．因此，現(xiàn)在迫切需要建立

3、一套微觀尺度下的設(shè)計(jì)方法來為MEMS的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)．通過MEMS的建模與仿真研究，可以對(duì)從設(shè)計(jì)到制造的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行比較和驗(yàn)證，從而優(yōu)化MEMS器件的設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)制造工藝的有效性，將MEMS產(chǎn)品的最終形態(tài)及功能立體地、多側(cè)面地由計(jì)算機(jī)模擬、分析、展現(xiàn)出來，做到尚未真正加工出MEMS產(chǎn)品就對(duì)最終結(jié)果心中有數(shù)‘-一6】．1MEMS建模MEMS技術(shù)的首要問題和難題是精確、穩(wěn)定、迅速的控制微機(jī)械構(gòu)件的變形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握其在微尺度下的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)，這是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)2004一ol一兒收到第一稿．·中科院力學(xué)研究所LNM資助項(xiàng)目(2003∞z)功能的關(guān)鍵

4、．MEMS結(jié)構(gòu)器件，如微傳感器和微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，模擬仿真程序已成為一種基本工具．微機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)MEMSCAD以有限元分析方法為主，結(jié)合其它傳統(tǒng)工程中的CAD技術(shù)而組成，在設(shè)計(jì)中對(duì)微電子機(jī)械元件進(jìn)行有效的分析和仿真．MEMS其功能的實(shí)現(xiàn)，如微傳感和微致動(dòng)，都是通過熱、電、磁、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和變形等物理性質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換來完成的．在這一過程中必然發(fā)生多種物理性質(zhì)之間的相互耦合。對(duì)于較弱的耦合，在不影響問題許可精度的前提下，可忽略其耦合效應(yīng)；但是對(duì)于較強(qiáng)的耦合，則必須考慮其耦合效應(yīng)．這樣一來，物質(zhì)的狀態(tài)空闥必須由更多的參數(shù)才能確定。除變形外，還

5、可能有電位移、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及溫度等，而且它們?cè)跔顟B(tài)空間中所處的“地位”完全和變形一樣，這就使得我們必須結(jié)合力學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等多個(gè)物理領(lǐng)域的知識(shí)來描述物質(zhì)的變形和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)．目前商品化的有限元軟件包一般只能求解單獨(dú)的一種能量場(chǎng)問題(如包含變形、應(yīng)力和動(dòng)力學(xué)特性的力能量場(chǎng)問題、電磁場(chǎng)問題或流場(chǎng)問題)和一些簡(jiǎn)單的兩種能量場(chǎng)耦合問題(如熱一力效應(yīng)問題和壓電效應(yīng)問題)．對(duì)于更多能量場(chǎng)耦合問題，就無能為力了．另外，由于大多數(shù)MEMS器件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上多個(gè)能量場(chǎng)強(qiáng)耦合，其行為必然表現(xiàn)為強(qiáng)非線性，這也給系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)算法增加了不少難度．因此耦合能量場(chǎng)

6、仿真問題已成為MEMSCAD中的關(guān)鍵技術(shù)，也吸引了越來越多的研究者把注意力放萬方數(shù)據(jù)第1期高行山等：微機(jī)電系統(tǒng)多場(chǎng)耦合仿真分析71到這方面來u~1引．目前國(guó)際上用于MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的商用軟件包主要有[2]：Coventor開發(fā)研制的CoventorWare，CoventorWare是目前世界上功能最強(qiáng)、規(guī)模最大的MEMS專用軟件．擁有幾十個(gè)專業(yè)模塊，功能包含MEMS器件／系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝和仿真．IntelliSense開發(fā)研制的IntelliCAD，主要進(jìn)行機(jī)一電一熱的分析，在工藝仿真方面具有較大的靈活性．瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究開發(fā)研制的S

7、OLIDIS，有較靈活的網(wǎng)格劃分，善于進(jìn)行熱變形和熱致動(dòng)的分析．法國(guó)微系統(tǒng)公司memscap開發(fā)研制的MEMSPro為工程設(shè)計(jì)中普通MEMS設(shè)計(jì)者和MEMS專家提供考慮MEMS和IC混合作用的、在Windows操作系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)環(huán)境．MEMSPro是一個(gè)用戶化的易于使用的平臺(tái)，還可以根據(jù)某個(gè)廠家的制造工藝進(jìn)行工藝處理定義．此外還有密歇根大學(xué)的CAEMEMS．但是現(xiàn)在的MEMSCAD在計(jì)算速度、建模和應(yīng)用范圍方面都還存在著缺陷．我國(guó)目前主要使用H—Spice等IC設(shè)計(jì)軟件及ANSYS等結(jié)構(gòu)分析軟件，還沒有專門的用于MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件．

8、2能量場(chǎng)耦合模擬自20世紀(jì)80年代后期，準(zhǔn)靜態(tài)硅微馬達(dá)出現(xiàn)以來，也刺激了多能量場(chǎng)耦合分析的發(fā)展，尤其是靜電驅(qū)動(dòng)分析的發(fā)展，它把結(jié)構(gòu)的電容也作為轉(zhuǎn)子位置的一個(gè)函數(shù)．Shi[8]把聯(lián)