MEMS モジュール

ビルトインユーザーインターフェースおよび結果

MEMS モジュールは, 解析しているデバイスとマルチフィジックスの相互作用のタイプに合わせて調整された組み込みのユーザー インターフェースを提供します. これらのインターフェースは, 一連のドメイン方程式, 境界条件, 初期条件, 義済みメッシュ, ソルバー設定による定義済みスタディ, および定義済みプロットと計算値を定義します. これらの機能はすべて, COMSOL Multiphysics^® 環境内でアクセスできます.

電界, 応力, ひずみ, 品質係数, ダンピング, 共振周波数, 散逸, および散乱パラメーター (S パラメーター) の値, ならびに静電容量, アドミッタンス, およびインピーダンス行列の値を計算して, Touchstone ファイル形式にエクスポートできます. 計算された量に関して, 任意の数式をプロットまたは評価できます.

静電気

電場が電位と電荷分布によって決定される静電気計算を使用して, MEMS デバイスの容量効果を解析できます. 有限要素法 (FEM) と境界要素法 (BEM) の両方を電位の解法に使用でき, ハイブリッド境界要素-有限要素法 (BEM-FEM) に組み合わせることができます. 計算されたポテンシャル場に基づいて, 静電容量行列, 電場, 電荷密度, 静電エネルギーなどの多くの量を計算できます.

静電気機能は, 圧電性, 電歪, 強誘電性などのマルチフィジックス効果の組み込みオプションで拡張できます. デバイ分散と誘電損失材料モデルは, 周波数領域解析と時間依存解析の両方で使用できます.

流体–構造相互作用 (FSI)

MEMS モジュールの流体-構造相互作用 (FSI) マルチフィジックスインターフェースは, 流体の流れと固体力学を組み合わせて, 流体と固体構造の間の双方向の相互作用を捉えます. 流れは層流または乱流のいずれかです. 特定のマイクロ流体現象を含めるために, MEMS モジュールとマイクロ流体モジュールを組み合わせることができます. 乱流には CFD モジュールまたは伝熱モジュールが必要です. CFD モジュールでは2相および3相の流れを固体力学と連成することもできます.

ピエゾ抵抗

ピエゾ抵抗効果とは, 加えられた応力に応じた材料の導電率の変化を指します. 小型のピエゾ抵抗器を標準的な半導体プロセスに簡単に統合できることと, センサーの適度な線形応答により, この技術は圧力センサー業界で特に重要になっています. ピエゾ抵抗センサーをモデル化するために, MEMS モジュールは, 固体またはシェルのピエゾ抵抗のためのいくつかの専用インターフェースを提供します. MEMS モジュールを構造力学モジュールと組み合わせると, 薄シェル用のピエゾ抵抗ユーザーインターフェースが利用可能になります.

熱機械カップリング

熱弾性インターフェースは, 熱弾性減衰の連成項を含む固体力学インターフェースと, 伝熱 (固体) インターフェースを組み合わせたものです. 熱弾性減衰は, 圧縮領域と膨張領域が近接している小さな MEMS 構造では特に重要です. 共振器の周期的な変形は, 材料の局所的な温度変化と熱膨張を引き起こし, 減衰として現れます. 熱弾性結合項により, 材料は張力下では冷却され, 圧縮下では加熱されます. 結果として生じる固体の暖かい領域と冷たい領域の間の不可逆的な熱伝達は, 顕微鏡レベルで重要な機械的損失を生み出します.

MEMS 共振器中の減衰

MEMS モジュールを使用すると, スクイーズ フィルム減衰, 誘電体, 弾性体, および圧電材料の等方性および異方性の損失係数, および熱弾性減衰を含むさまざまな減衰現象をモデル化できます. アンカー減衰を計算するために, 最先端の技術による完全整合層 (PML) により, 弾性固体と圧電固体の両方に対して発信弾性波を吸収します. 完全連成固有振動数, 周波数応答, または過渡解析を実行できます.

MEMS モジュールを音響モジュールと組み合わせることで, 圧力音響および熱粘性音響減衰を含む, 周囲の流体からの音響減衰の効果を含めることができます.

プリストレスおよびバイアス付加デバイス

MEMS モジュールを使用して, 機械的および熱的負荷でプリストレスを与えられたデバイスを解析できます. 組み込みの高調波摂動解析により, 周波数応答だけでなく, そのようなモデルの固有周波数と固有モードを計算できます.

同様の方法で, マイクロメカニカルフィルターを含む, 静電的にバイアスされた MEMS 共振器を解析できます. たとえば, これらのデバイスは DC 電圧によってバイアスされ, 交流電流によって駆動されるため, ダンピングとバイアスの効果によって共振周波数がどのようにシフトするかを解析できます.

ジュール熱および熱応力

熱, 電気, および構造のマルチフィジックス効果を簡単に組み合わせることができます. ジュール熱と熱膨張の事前定義されたマルチフィジックス連成により, 構造内の電流の伝導, オーミック損失によって引き起こされるその後の電気加熱, および温度場によって引き起こされる熱応力をモデル化できます. 典型的なアプリケーションには, 熱アクチュエーターとヒューズが含まれます. すべての材料特性は, 非線形および温度依存にすることができます. 機械的接触のモデリングを拡張して, 熱と電流の両方の接触抵抗を含めることができます. 薄い導電層は, 層状シェル用の専用ツールを使用してモデル化できます.

圧電性

独自の高度な圧電モデリング ツールにより, 静的, 周波数領域, 連成固有振動数, および時間領域のシミュレーションが可能になります. 設計では, 考えられるあらゆる構成で材料を組み合わせることができ, カップリングされた圧電, 金属, 誘電体, および流体部品を簡単に含めることができます.

直接圧電効果と逆圧電効果の両方をモデル化でき, 圧電カップリング e 形式または d 形式を使用して定式化できます. MEMS モジュールには, チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) や水晶の特性など, 一般的な圧電材料特性のライブラリが含まれています. 多くの圧電材料は, 大きな印加電界で非線形の強電気弾性挙動を示します. MEMS モジュールと複合材料モジュールを組み合わせてアクセスできるシェルを使用して, 薄層の誘電体および圧電構造をモデル化できます.

圧電デバイスの減衰は, 圧電部品, 弾性部品, 誘電部品の損失係数で表すことができます. 誘電加熱を計算し, 熱伝達解析と組み合わせて分散の影響を調べることができます.

圧電インターフェースを使用して圧電動作を解析すると, 電位と電場, 変位, ひずみ, 応力, 静電容量, 損失, アドミタンス, インピーダンス, および S パラメーターの結果を得ることができます.

弾性および圧電材料の波動力学

弾性波と圧電波の振動と伝搬は, 時間領域だけでなく周波数領域でもモデル化できます. これにより, バルク音響波 (BAW) デバイスを含む音響トランスデューサーや共振器などの解析が可能になります.

時間領域シミュレーションでは陰的方法と陽的方法のいずれかを選択できます. いずれの場合も, 傾斜機能材料を含め, 異なる材料タイプを同じモデルに組み合わせることができます.

周波数領域および陰的時間領域シミュレーションは有限要素法に基づいていますが, 陽的時間領域シミュレーションは不連続ガラーキン (dG または dG-FEM) 法に基づいています. dG-FEM 法は陽的時間ソルバーを使用して, 何百万もの自由度 (DOF) を持つ非常に大きなモデルを解くことができる計算効率の高いハイブリッド法を保証します. この方法はクラスターで実行する場合を含め, 優れた並列計算パフォーマンスを示します.

計算領域を離れる波のモデル化には, 無反射境界条件, スポンジ層, 完全一致層 (PML), 弾性ポート境界条件など, さまざまな境界条件と吸収層を使用できます.

電磁–構造相互作用

電気機械マルチフィジックスインターフェースは, 固体力学と静電気を移動メッシュと組み合わせて, 慣性センサーなどの静電的に作動する構造の変形をモデル化するのに役立ちます. このインターフェースは強誘電弾性材料および電歪材料とも互換性があり, FEM と BEM の両方のオプションがあります. MEMS モジュールを AC/DC モジュールと組み合わせると, 磁気力学用の同様のマルチフィジックスインターフェースが利用可能になります.

電歪材料および強誘電弾性材料

電歪は電歪材料に印加された電場が材料の変形を生成し (直接効果), 材料に印加された応力が分極を変化させる (逆効果) という電気機械相互作用の形態です. この現象をモデル化するには, 固体力学インターフェースと静電気インターフェース間のマルチフィジックス連成を含む電歪インターフェースを使用できます.

強誘電弾性インターフェースは, 固体力学と静電学の連成をモデル化するために使用できます. これにより, 強誘電体および圧電材料の非線形電気機械相互作用をモデル化できます. このような材料の電気分極は, ヒステリシス効果や飽和効果の可能性を含め, 印加電場に非線形に依存します. さらに, そのような材料の分極と機械的変形は強く結合することができます.

電流

MEMS モジュールを使用すると, 2D および 3D モデルを SPICE 回路と組み合わせることができます. 組み合わせたシミュレーションでは, モデルの一部に回路表現が含まれます. これは, たとえば, 水晶発振器に対する直列コンデンサーの影響を評価するために使用できます.

任意のモデルまたはモデルの組み合わせについて, 電気回路インターフェースを使用して, 回路要素に関連付けられた電圧, 電流, および電荷を解くことができます. 回路モデルには, 抵抗器, コンデンサー, インダクターなどの受動素子と, ダイオードやトランジスターなどの能動素子を含めることができます. 回路トポロジを SPICE ネットリスト形式でエクスポートおよびインポートできます.