MEMS Module

Pour Simuler les Systèmes MicroElectroMécaniques (MEMS)

MEMS Module

Un capteur de pression mesure la pression d'après le changement de capacitance, laquelle est liée à la déformation de la structure. La déformation dépend elle de la pression et de la température ambiantes, des matériaux employés et des contraintes initiales exercées sur les matériaux.

Simulation des Systèmes Microélectromécaniques

La conception et la modélisation des systèmes microélectromécaniques (MEMS) est une domaine unique en son genre. A de petites échelles, la conception de résonateurs, de gyroscopes, d'accéléromètres et d'actionneurs doit obligatoirement prendre en compte les effets de plusieurs phénomènes physiques. C'est la raison pour laquelle COMSOL Multiphysics est idéalement adapté pour la simulation des applications MEMS. Dans cette optique, le MEMS Module offre des interfaces utilisateur prédéfinies avec des interfaces spécifiques pour simuler différents couplages physiques, comprenant notamment les interactions électromagnétique-structure, thermique-structure ou fluide-structure. Vous pouvez introduire différents type d'amortissement dans votre modèle : amortissement gazeux par film mince, facteurs de perte anisotropes pour les solides et les matériaux piézoélectriques, amortissement par ressort et amortissement thermoélastique. Pour les vibrations et les ondes élastiques, les couches parfaitement absorbantes (PML) absorbent très efficacement l'énergie élastique sortante.

Des interfaces prédéfinies de modélisation piézoélectrique et piézorésistive permettent de simuler efficacement des systèmes où les matériaux piézoélastiques-diélectriques peuvent être combinés en un nombre illimité de configurations. Le MEMS Module propose des analyses stationnaires et temporelles, ainsi que des analyses de fréquence propre, de réponse de fréquence, paramétrées et quasi-statiques. Vous pouvez facilement extraire des paramètres réduits, tels que la capacitance, l'impédance et l'admittance et connecter votre MEMS à des circuits électriques externes via des fichiers au format SPICE. Grâce aux principales fonctionnalités de COMSOL Multiphysics®, le MEMS Module permet de simuler quasiment tous les phénomènes physiques liés à la mécanique à micro-échelle.

Images Supplémentaires

  • RESONATEURS ACTIONNES PAR CHAMP ELECTROSTATIQUE : Simulation d'un résonateur MEMS actionné par champ électrostatique à l'aide de l'interface Electromécanique du MEMS Module. RESONATEURS ACTIONNES PAR CHAMP ELECTROSTATIQUE : Simulation d'un résonateur MEMS actionné par champ électrostatique à l'aide de l'interface Electromécanique du MEMS Module.
  • RESONATEUR A QUARTZ : Réponse mécanique d'un oscillateur à quartz à cisaillement en épaisseur avec un graphique représentant l'effet d'une capacitance en série sur la réponse en fréquence. RESONATEUR A QUARTZ : Réponse mécanique d'un oscillateur à quartz à cisaillement en épaisseur avec un graphique représentant l'effet d'une capacitance en série sur la réponse en fréquence.
  • SERVOMOTEUR ELECTROTHERMIQUE : La température d'un servomoteur électrothermique chauffé par effet Joule est indiquée en haut ; la visualisation du bas présente la distribution de densité de courant électrique. SERVOMOTEUR ELECTROTHERMIQUE : La température d'un servomoteur électrothermique chauffé par effet Joule est indiquée en haut ; la visualisation du bas présente la distribution de densité de courant électrique.
  • CAPTEURS PIEZORESISTIFS : Champ de contrainte d'un capteur piézorésistif calculé à l'aide de l'interface physique intégrée pour les matériaux piézorésistifs du MEMS Module. CAPTEURS PIEZORESISTIFS : Champ de contrainte d'un capteur piézorésistif calculé à l'aide de l'interface physique intégrée pour les matériaux piézorésistifs du MEMS Module.
  • THERMOELASTICITE : L'amortissement thermoélastique est un facteur important dans la conception de résonateurs MEMS. La déformation cyclique du résonateur produit des variations de température locales et une dilatation thermique du matériau qui apparait comme de l'amortissement. THERMOELASTICITE : L'amortissement thermoélastique est un facteur important dans la conception de résonateurs MEMS. La déformation cyclique du résonateur produit des variations de température locales et une dilatation thermique du matériau qui apparait comme de l'amortissement.

Un Méthodologie Fiable pour Simuler des Systèmes Microélectromécaniques

Pour simuler un système microélectromécanique, vous devez d'abord définir la géométrie dans le logiciel à l'aide des outils COMSOL ou en important un modèle CAO. Pour importer des modèles CAO, vous pouvez recourir au CAD Import Module ou à l'un des produits LiveLink pour la CAO. Vous pouvez importer des plans électroniques à l'aide du ECAD Import Module. Une fois le modèle géométrique défini, il convient de sélectionner les matériaux appropriés et d'ajouter une interface physique adaptée. Les conditions initiales et aux limites se configurent dans l'interface. Ensuite, vous définissez le maillage et sélectionnez un solveur. Pour finir, vous visualisez, traitez et exportez les résultats. Toutes ces étapes s'effectuent dans COMSOL Desktop®. Les solveurs sont configurés automatiquement avec les paramètres par défaut, déjà définis dans chaque interface. Toutefois, l'utilisateur expert peut accéder à certains paramètres et les modifier.

Vous pouvez également intégrer vos simulations MEMS à Microsoft® Excel®. LiveLink for Excel® vous permet de lancer vos simulations depuis l'interface Excel® et d'importer et exporter les résultats et les matériaux. Si vous préférez travailler dans un environnement de script, LiveLink for MATLAB® offre un ensemble complet de commandes compatibles MATLAB® et disponibles lorsque vous installez conjointement COMSOL Multiphysics et MATLAB. De cette manière, vous pouvez intégrer des simulations COMSOL dans des programmes MATLAB. Exportez les résultats d'un modèle COMSOL dans l'environnement MATLAB, y compris les matrices de raideur et du système.

Actionneurs Electrostatiques et Electromécaniques

Les forces électrostatiques sont modifiées à mesure que les dimensions du système diminuent, un phénomène fréquent dans les MEMS. Dans ce domaine, une application typique du MEMS Module concerne les résonateurs MEMS actionnés par champ électrostatique qui fonctionnent par application d'une polarisation DC. Le MEMS Module fournit une interface physique destinée à l'électromécanique qui permet, pour les résonateurs MEMS, de calculer la variation de la fréquence de résonance lorsque l'on applique une polarisation DC. La fréquence diminue avec le potentiel appliqué, car le système électromécanique couplé s'amortit. La petite taille du système permet d'obtenir une fréquence de résonance en MHz même pour un mode de flexion simple. En outre, la mise à l'échelle des forces électromagnétiques permet un actionnement capacitif efficace impossible à l'échelle macroscopique. La bibliothèque de modèles fournie avec le MEMS Module offre des didacticiels détaillés avec des consignes d'implémentation pas à pas pour les résonateurs MEMS actionnés par champ électrostatique. De plus, l'interface d'électromécanique intégre des effets d'électrostriction isotrope.

Dispositifs Piézoélectriques

Les forces piézoélectriques sont modifiées à mesure que les dimensions du système diminuent. De plus, les capteurs et actionneurs piézoélectriques sont majoritairement linéaires et ne consomment pas de courant continu durant le fonctionnement. Les résonateurs en quartz représentent le composant MEMS actuellement le plus produit en volume : plus d'un milliard de systèmes sont fabriqués chaque année. Les interfaces physiques du MEMS Module sont idéalement adaptées à la simulation d'oscillateurs à quartz et d'un large éventail d'autres dispositifs piézoélectriques.

L'un des didacticiels fournis avec le MEMS Module représente la réponse mécanique d'un oscillateur à quartz avec cisaillement dans l'épaisseur et une capacitance en série. S'y ajoute son effet sur la réponse en fréquence. Une capacitance en série permet souvent d'ajuster ou de supprimer la résonance des oscillateurs à quartz. Le MEMS Module permet d'associer des modèles 2D et 3D à des circuits SPICE pour ce type de simulations combinées.

Actionneurs Thermiques et Contraintes Thermiques

Les forces thermiques sont favorablement modifiées à petite échelle par rapport aux forces d'inertie. Les actionneurs thermiques microscopiques sont alors suffisamment rapides pour être utilisés à micro-échelle, bien que les actionneurs thermiques soient théoriquement plus lents que les actionneurs capacitifs ou piézoélectriques. De plus, les actionneurs thermiques sont faciles à intégrer aux pdispositifs semi-conducteurs même s'ils consomment énormément de puissance par rapport à leurs homologues électrostatiques et piézoélectriques. Le MEMS Module peut servir à modéliser le chauffage par effet Joule avec des simulations de contraintes thermiques caractérisant en détail la distribution des pertes résistives. Les effets thermiques jouent également un rôle important dans la fabrication de nombreuses technologies MEMS avec des contraintes d'origine thermique dans les films minces déposés, ces films étant essentiels dans de nombreuses applications. Le MEMS Module propose des interfaces physiques conçues pour les calculs de contraintes thermiques avec de nombreuses fonctionnalités de post-traitement et de visualisation dont les champs de contrainte et de déformation, les contraintes et déformations principales, les contraintes efficaces, les champs de déplacement, etc.

Une Architecture Flexible et Ouverte

COMSOL met l'accent sur la physique résolue en vous donnant accès aux équations correspondantes. Vous avez également la possibilité d'ajouter au système des équations et des expressions définies par l’utilisateur. Par exemple, pour modéliser le chauffage par effet Joule dans une structure aux propriétés élastiques dépendantes de la température, il suffit d'entrer les constantes élastiques comme fonction de la température, sans définir de lignes de commande. Lorsque COMSOL compile les équations, les couplages complexes générés par ces expressions définies par l’utilisateur sont automatiquement intégrés au système d'équations initial. Les équations sont ensuite résolues par MEF et à l'aide de solveurs extrèmement efficaces. Une fois la solution obtenue, de nombreux outils de post-traitement sont disponibles pour analyser les données. Des graphiques prédéfinis sont automatiquement générés pour montrer la réponse du système. L'utilisation de COMSOL est souple etl permet d'évaluer de multiples grandeurs physiques, y compris des quantités prédéfinies telles que la température, un champ électrique ou un tenseur de contraintes (disponible par le biais de menus faciles à utiliser) et des expressions arbitraires définies par l'utilisateur.

Interaction fluide-structure (FSI) et Amortissement par Film Mince

Les dispositifs MEMS en fluidiques ou microfluidique occupent une place de plus en plus importante dans les systèmes microélectromécaniques. COMSOL propose le Microfluidics Module pour résoudre les problèmes liés à des applications de ce type. Toutefois, le MEMS Module offre des fonctionnalités microfluidiques intéressantes pour simuler l'interaction des structures microélectromécaniques avec des fluides. L'interface multiphysique Interaction Fluide-Structure (FSI) combine l'écoulement des fluides et la mécanique des solides pour simuler l'interaction entre un fluide et une structure solide. Les interfaces Mécanique du Solide et Ecoulement Laminaire permettent de modéliser les solides et les fluides respectivement. Les couplages FSI apparaissent aux interfaces entre le fluide et le solide. Ils intégrent la pression du fluide et les forces visqueuses, ainsi que le transfert de la quantité de mouvement du solide au fluide, c'est-à-dire une interaction fluide-structure couplée fortement. La méthode employée pour simuler FSI est connue sous le nom "Arbitrary Lagrangian-Eulerian" (ALE).

Les forces d'amortissement en FSI sont en principe importantes dans les systèmes MEMS, ce qui entraîne souvent un besoin de conditionnement sous vide. Le MEMS Module offre des interfaces physique spécialisées pour l'amortissement par film mince. Elles permettent de résoudre l'équation de Reynolds afin de déterminer la vitesse du fluide, ainsi que la pression et les forces exercées sur les surfaces adjacentes. Vous pouvez utiliser ces interfaces pour modéliser l'amortissement par film de fluide comprimé parpendiculairement aux surfaces et par film de fluide glissant tangentiellement aux surfaces pour une vaste gamme de pressions (il est possible d'inclure des effets de raréfaction). L'amortissement par film mince est disponible pour des surfaces arbitraires en 3D et peut être directement couplé à des solides en 3D.

Capteurs Piézorésistifs

L'effet piézorésistif désigne un changement dans la conductivité d'un matériau qui se produit suite à l'exercice d'une contrainte. Grâce à la facilité d'intégration de la piézorésistances de petite taille à des procédés pour semi-conducteurs et à la réponse raisonnablement linéaire du capteur, cette technologie devient prépondérante dans le domaine des capteurs de pression. Afin de modéliser des capteurs piézorésistifs, le MEMS Module offre plusieurs interfaces physiques spécifiques pour caractériser la piézorésistivité dans les solides ou les coques. Lorsque vous utilisez conjointement le MEMS Module et le Structural Mechanics Module, une interface physique réservée à la piézorésistivité pour les couches minces est activée.

Mécanique des Solides

L'interface physique Mécanique du Solide effectue des analyses de contraintes et résout des modèles de mécanique des structures pour des solides aux lois de comportement linéaire et non linéaire. Le MEMS Module propose des modèles de matériau viscoélastique linéaire et élastique linéaire. Toutefois, vous pouvez ajouter des modèles de matériau non linéaire avec le Nonlinear Structural Materials Module. Vous pouvez étendre les modèles de matériaux au moyen de fonctionnalités de dilatation thermique, d'amortissement, de contraintes et de déformations initiales. En outre, plusieurs sources de déformations initiales sont disponibles. Vous pouvez ainsi incorporer des déformations non élastiques arbitraires exercées par plusieurs sources physiques. La description des matériaux élastiques dans le module comprend des matériaux isotropes, orthotropes et complètement anisotropes.

Thermoélasticité

L'interface physique Thermoelasticité permet de modéliser des matériaux thermoélastiques. Elle simule les déplacement dans une structure, les écarts de température et le transfert thermique lié au couplage thermoélastique. La thermoélasticité est importante dans la modélisation de résonateurs MEMS de haute qualité.

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Capacitive Pressure Sensor

Microresistor Beam

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Composite Piezoelectric Transducer

SAW Gas Sensor

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator

Electrostatically Actuated Cantilever

Biased Resonator Models (3D)

Thermal Stresses in a Layered Plate

Prestressed Micromirror