Анализ технических характеристик микроэлектромеханического акселерометра с помощью метода конечных элементов.
Следующая секция демонстрирует:
разбиение трехмерной модели на конечные элементы;
проведение анализа на собственные колебания, используя МКЭ.
Создание конечноэлементной сетки
Процедура |
Детальное описание процедуры |
1. Откройте модель combdrive_accelerometer в препроцессоре. |
А. Сохраните файл с настройками как fem_accelerometer.mps. Б. Переключитесь на вкладку Analyzer tab в Function Manager. В. Выберите модель combdrive_accelerometer и щелкните на иконку препроцессора. |
2. Поместите слой Device в папку Mesh. |
А. Выберите слой Substrate и щелкните на Hide Selection. Б. Щелкните правой кнопкой на слое Device и выберите Add to Mesh Model. |
3. Назначьте свойства двух фиксированных гребенок comb_top, comb_bottom. |
А. Измените имя part 0 на comb_bottom. Б. Отметьте на свойствах элемента Suppress, except for MemElectro, как показано на рис. 1.33. В. Сделайте то же самое для part 2, назвав ее comb_top. |
Рисунок 1.33. Свойства неподвижной нижней гребенки.
Процедура |
Детальное описание процедуры |
4. Присвойте имена опорам и одной из сторон структуры |
А. Выберите из панели инструментов Face Selection Mode. Б. Выберите опоры и присвойте им имя anchor. В. Назовите одну из сторон структуры load. (рис. 1.34) |
Рисунок 1.34. Наименования плоскостей.
Процедура |
Детальное описание процедуры |
5. Сгенерируйте регулярную сетку с заданным размером элементов. |
А. Задайте свойства сетки для region 1. Выберите тип сетки Manhattan bricks с линейными элементами. Б. Установите размеры элементов по оси x и y 10.0 и по оси z 60.0 (рис.1.35). В. Сгенерируйте сетку . Г. Когда разбиение будет готово (рис.1.36) нажмите Mesh > Mesher log. Появится окно со статистикой разбиения. Д. Качество сетки можно увидеть, нажав Quality query. |
Рисунок 1.35. Параметры разбиения, статистика разбиения, качество сетки.
Рисунок 1.36. Разбиение модели на конечные элементы.
Моделирование с помощью мкэ.
Модальный и гармонический анализ.
Далее приводится процедура проведения гармонического анализа акселерометра.
Анализ проводится с помощью механического решателя MemMech, определяются собственные частоты и формы колебаний.
Процедура |
Детальное описание процедуры |
1. Сконфигурируйте MemMech для проведения гармонического/модального анализа на 1-й моде. |
А. Выберите решатель MemMech. Б. Выберите модель combdrive_accelerometer в поле Model/Mesh. В. В поле Analysis, выберите create a new analysis. Г. Установите параметры решателя как показано на рис. 1.37. Д. Объем памяти для решателя нужно установить в размере 75% от доступной памяти компьютера. |
Рисунок 1.37. Настройки MemMech.
Процедура |
Детальное описание процедуры |
2. Задайте граничные условия (жесткая заделка). |
А. Щелкните на SurfaceBCs. Б. Для Set1, установите FixType на fixAll для Patch1 anchor. |
3. Задайте граничные условия (нагрузка). |
А. Щелкните на Harmonic_SurfaceBCs. Б. Для Set1, установите FixType на LoadPatch для Patch1 load со скалярным значением 1e-3. |
4. Запустите моделирование. |
А. Щелкните на Run в окне MemMech BCs. Б. Назовите анализ harmonic_accelerometer и сохраните ваши настройки. |
5. Просмотрите результаты моделирования. |
В результирующем окне выберите в списке |
таблиц
modeDomain (рис.1.38).
Рисунок 1.38. Результаты модального анализа.
Моделирование в Architect дало частоту 9.01 кГц для поступательной моды в направлении X, что отличается на 6.2% от результатов МКЭ в Analyzer.
Процедура |
Детальное описание процедуры |
6. Форма колебаний. |
А. Щелкните на иконке 3D result. Б. Щелкните на иконке Contour и выберите Modal displacement mag в Contour Details. В. Нажмите Coventor > Mode Shapes. Г. Выберите Deform Using Modal Displacement и установите exaggeration to 20. Д. Нажмите Apply и Play. (рис.1.39) |
Рисунок 1.39. Трехмерные результаты колебаний акселерометра на первой собственной частоте.
Процедура Детальное
описание процедуры
Сконфигурируйте
MemMech для
работы без
модального
анализа.
А. В списке Graphs окна Results выберите
harmonic_Disp.
Б. В открывшемся 2 мерном графике щелкните Mapping style.
В. Выберите map MaxX_Mag и щелкните на
Map Show > Show Selected Only.
Результат приведен на рис.1.40. Максимальное механическое смещение достигает 1.1 мкм на резонансной частоте 9.6 кГц.
Рисунок 1.40. Зависимость максимальной амплитуды колебания от частоты.
В данном пособии мы познакомились с базовыми средствами проектирования МСТ устройств. Мы рассмотрели все основные аспекты и стадии проектирования МЭМС на примере акселерометра.
1. С полученными базовыми навыками вы можете самостоятельно повысить свою квалификацию, изучить или уточнить все вопросы, связанные с проектированием МЭМС устройств в документации прилагаемой к САПР CoventorWare[13].
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования