MEMS Module

Software de simulación de sistemas microelectromecánicos (MEMS)

MEMS Module

Un sensor de presión detecta la presión en función de un cambio de capacitancia, que está relacionado con la deformación de la estructura. La deformación depende de la presión y temperatura ambientes, de los materiales empleados y de cualquier esfuerzo inicial que haya en el material.

Simulación de sistemas microelectromecánicos

El diseño y el modelado de sistemas microelectromecánicos (MEMS) es una singular disciplina de la ingeniería. A pequeñas escalas de longitud, el diseño de resonadores, giróscopos, acelerómetros y accionadores debe tener en cuenta los efectos de varios fenómenos físicos sobre su funcionamiento. Por consiguiente, COMSOL Multiphysics es especialmente adecuado para las aplicaciones MEMS. Con esta finalidad, el Módulo MEMS ofrece interfaces de usuario predefinidas que tienen asociadas herramientas de modelado, denominadas interfaces de propiedades físicas, para abordar una amplia gama de propiedades físicas conectadas, incluidas las interacciones electromagnetismo-estructura, calor-estructura y fluido-estructura. Usted puede incluir una amplia gama de fenómenos de amortiguación en su modelo: amortiguación por gas en película delgada, factores de pérdida anisotrópicos para materiales sólidos y piezoeléctricos, amortiguación por anclajes y amortiguación termoelástica. Para ondas y vibraciones elásticas, las capas perfectamente acopladas (perfectly matched layer, o PML) ofrecen las más avanzadas funciones de absorción de la energía elástica saliente.

Por su parte, las más avanzadas herramientas de modelado piezoeléctrico y piezorresistivo permiten realizar simulaciones en las que pueden combinarse materiales dieléctricos piezoelásticos en cualquier configuración imaginable. El módulo MEMS incluye análisis de los dominios estacionario y transitorio, así como análisis, completamente conectados, de eigenfrecuencias, paramétricos, cuasiestáticos y de respuesta a frecuencias. Puede realizar con facilidad una extracción concentrada de parámetros de capacitancia, impedancia y admitancia, y conectar con circuitos eléctricos externos mediante listas de redes SPICE. Desarrollado a partir de las capacidades básicas de COMSOL Multiphysics®, el módulo MEMS puede utilizarse para abordar prácticamente cualquier fenómeno relacionado con la mecánica a microescala.


Additional images:

  • RESONADORES ACCIONADOS ELECTROSTÁTICAMENTE: Simulación de un resonador microelectromecánico accionado electrostáticamente mediante la interfaz de electromecánica del módulo MEMS. RESONADORES ACCIONADOS ELECTROSTÁTICAMENTE: Simulación de un resonador microelectromecánico accionado electrostáticamente mediante la interfaz de electromecánica del módulo MEMS.
  • RESONADOR DE CUARZO: La respuesta mecánica de un oscilador de cuarzo en modo de cizalla en espesor, así como una gráfica que muestra el efecto de una capacitancia serie sobre la respuesta de frecuencia. RESONADOR DE CUARZO: La respuesta mecánica de un oscilador de cuarzo en modo de cizalla en espesor, así como una gráfica que muestra el efecto de una capacitancia serie sobre la respuesta de frecuencia.
  • ACCIONADOR TÉRMICO: En la parte superior se muestra la temperatura dentro de un accionador térmico desplazado calentado por efecto Joule, mientras que en la inferior se muestra la distribución de la densidad de corriente. ACCIONADOR TÉRMICO: En la parte superior se muestra la temperatura dentro de un accionador térmico desplazado calentado por efecto Joule, mientras que en la inferior se muestra la distribución de la densidad de corriente.
  • SENSORES PIEZORRESISTIVOS: Campo de tensión en un sensor piezorresistivo, computado con la interfaz de propiedades físicas integrada para materiales piezorresistivos, del módulo MEMS. SENSORES PIEZORRESISTIVOS: Campo de tensión en un sensor piezorresistivo, computado con la interfaz de propiedades físicas integrada para materiales piezorresistivos, del módulo MEMS.
  • TERMOELASTICIDAD: El amortiguamiento termoelástico es un factor importante a la hora de diseñar resonadores microelectromecánicos. La deformación cíclica del resonador genera variaciones de temperatura locales y dilataciones térmicas del material, que se traducen en un amortiguamiento. TERMOELASTICIDAD: El amortiguamiento termoelástico es un factor importante a la hora de diseñar resonadores microelectromecánicos. La deformación cíclica del resonador genera variaciones de temperatura locales y dilataciones térmicas del material, que se traducen en un amortiguamiento.

Robusto flujo de trabajo para modelar dispositivos microelectromecánicos

Para modelar un dispositivo microelectromecánico (MEMS), primero tiene que definir la geometría en el software, utilizando las herramientas de modelado nativas de COMSOL o importando un modelo CAD. Si desea importar modelos CAD mecánicos, puede hacerlo con el módulo CAD Import o con uno de los productos LiveLink para CAD. Mediante el módulo ECAD Import, puede importar esquemas electrónicos. Una vez que ha definido el modelo geométrico, el siguiente paso es elegir los materiales adecuados y añadir una interfaz de propiedades físicas adecuada. Las condiciones iniciales y de contorno deben establecerse dentro de la interfaz. Después, defina la malla y seleccione un solucionador. Por último, visualice los resultados y procese y exporte los resultados. A todos estos pasos se accede desde COMSOL Desktop®. Los solucionadores se configuran automáticamente con ajustes por defecto que ya están adaptados para cada interfaz concreta. No obstante, el usuario avanzado puede entrar en los valores de configuración de bajo nivel de los solucionadores y modificarlos si es necesario.

También puede integrar sus simulaciones MEMS con Microsoft® Excel®. LiveLink for Excel® le permite ejecutar simulaciones desde la interfaz Excel®, así como importar y exportar resultados y materiales. Si prefiere trabajar en un entorno de programación de scripts, LiveLink for MATLAB® pone a su disposición una serie de comandos muy potentes que son compatibles con MATLAB®, cuando se instalan COMSOL Multiphysics y MATLAB a la vez. De ese modo, podrá integrar las simulaciones COMSOL con los programas MATLAB. Puede exportar resultados de un modelo COMSOL al entorno MATLAB y, entre otras cosas, inspeccionar las matrices de sistema y de rigidez.

Los accionadores electrostáticos y la electromecánica

Las fuerzas electrostáticas cambian bien de escala cuando se reducen las dimensiones de los dispositivos, un fenómeno que se aprovecha frecuentemente en MEMS. Una aplicación típica del módulo MEMS en este campo es para los resonadores microelectromecánicos accionados electrostáticamente, que trabajan mediante la aplicación de una polarización de corriente continua. El módulo MEMS ofrece una interfaz de propiedades físicas exclusiva para la electromecánica que, en el caso de los resonadores microelectromecánicos, se emplea para calcular la variación de la frecuencia de resonancia con la polarización de corriente continua aplicada (la frecuencia decrece con el potencial aplicado, debido al reblandecimiento del sistema microelectromecánico conectado). El reducido tamaño del dispositivo produce una frecuencia de resonancia en MHz, incluso para un modo flexural sencillo. Además, el escalado favorable de las fuerzas electromagnéticas posibilita un accionamiento capacitivo eficiente, lo cual no es posible a escala macro. La biblioteca Model Library que viene instalada en el módulo MEMS ofrece tutoriales con instrucciones paso por paso para los resonadores microelectromecánicos accionados electrostáticamente. Además, usted tiene la opción de utilizar la interfaz de electromecánica para incluir los efectos de la electrostricción isotrópica.

Dispositivos piezoeléctricos

Las fuerzas piezoeléctricas también cambian bien de escala cuando se reducen las dimensiones de los dispositivos. Además, los sensores y accionadores piezoeléctricos son principalmente lineales y no consumen electricidad de CC durante su funcionamiento. Puede considerarse que las referencias de frecuencia de cuarzo son el componente microelectromecánico que se están fabricando en mayor cantidad actualmente, puesto que se fabrican más de mil millones de dispositivos al año. Las interfaces de propiedades físicas del módulo MEMS son especialmente adecuadas para simular osciladores de cuarzo, así como una amplia gama de otros dispositivos piezoeléctricos.

Uno de los tutoriales que vienen con el módulo MEMS muestra la respuesta mecánica de un oscilador de cuarzo en modo de cizalladura en espesor, junto con un condensador serie y su efecto sobre la respuesta a la frecuencia. Frecuentemente se emplea un condensador (capacitancia) serie para ajustar o demorar la resonancia de los osciladores de cuarzo, y el módulo MEMS permite combinar modelos 2D y 3D con circuitos SPICE para realizar simulaciones conjuntas de este tipo.

Los accionadores térmicos y el esfuerzo térmico

Las fuerzas térmicas cambian bien de escala en comparación con las fuerzas de inercia. Esto hace que los accionadores térmicos microscópicos sean lo suficientemente rápidos como para resultar útiles a microescala, si bien dichos accionadores suelen ser son más lentos que los capacitivos y piezoeléctricos. Además, los accionadores térmicos son fáciles de integrar en procesos de semiconductores, aunque normalmente consumen gran cantidad de energía en comparación con sus equivalentes electrostáticos y piezoeléctricos. El módulo MEMS puede utilizarse para realizar simulaciones de calentamiento por efecto Joule con esfuerzo térmico que incluyan información detallada sobre la distribución de las pérdidas resistivas. Por otra parte, los efectos térmicos juegan un papel importante en la fabricación de muchas tecnologías microelectromecánicas comerciales con esfuerzos térmicos en películas delgadas depositadas, que son vitales para muchas aplicaciones. El módulo MEMS incluye interfaces de propiedades físicas exclusivas para realizar cálculos de esfuerzos térmicos con amplias capacidades de posprocesado y de visualización, incluidos campos para los esfuerzos y las tensiones, el esfuerzo y la tensión principales, el esfuerzo efectivo, campos de desplazamiento, etc.

Arquitectura abierta y flexible

COMSOL se ha diseñado haciendo hincapié en las propiedades físicas, proporcionándole a usted las ecuaciones resueltas por cada característica y ofreciéndole acceso completo al sistema de ecuaciones subyacentes. Además, COMSOL le ofrece una enorme flexibilidad que le permite añadir al sistema ecuaciones y expresiones definidas por el usuario. Por ejemplo, para modelar el calentamiento por efecto Joule en una estructura con propiedades elásticas dependientes de la temperatura, basta con que usted introduzca las constantes elásticas como una función de la temperatura; no es necesario ni programar scripts ni escribir código. Cuando COMSOL compila las ecuaciones, las conexiones complejas generadas por estas expresiones definidas por el usuario se incluyen automáticamente en el sistema de ecuaciones. Después, las ecuaciones se resuelven utilizando el método de elementos finitos y una serie de solucionadores de calidad industrial. Una vez obtenida una solución, hay una amplia gama de herramientas de posprocesado disponibles para interrogar los datos, y se generan automáticamente gráficos predefinidos que muestran la respuesta del dispositivo. COMSOL ofrece flexibilidad para evaluar una amplia variedad de cantidades físicas, incluyendo cantidades predefinidas como la temperatura, el campo eléctrico o el tensor de esfuerzo (a través de menús fáciles de usar), así como expresiones arbitrarias definidas por el usuario.

Interacción fluido-estructura (FSI) y amortiguación por película delgada

Los dispositivos MEMS (microelectromecánicos) fluídicos, también llamados dispositivos microfluídicos, representan un campo MEMS cada vez más importante. COMSOL ofrece un módulo Microfluidics aparte para tratar específicamente estas aplicaciones, pero el módulo MEMS incluye una importante funcionalidad microfluídica para simular la interacción de las estructuras microelectromecánicas (MEMS) con los fluidos. La interfaz de propiedades físicas múltiples de interacción fluido-estructura (FSI) combina el flujo de fluidos con la mecánica de sólidos, para representar la interacción entre el fluido y la estructura sólida. Las interfaces de usuario de mecánica de sólidos y de flujo laminar permiten modelar el sólido y el fluido, respectivamente. En las fronteras entre el fluido y el sólido aparecen conexiones FSI que pueden incluir fuerzas de presión y de viscosidad, así como la transferencia de momento del sólido al fluido (interacción fluido-estructura [FSI] bidireccional). El método utilizado para la FSI se conoce como método lagrangiano-euleriano aleatorio (arbitrary Lagrangian-Eulerian, o ALE).

Las fuerzas de amortiguación generadas por la FSI son a menudo importantes para los dispositivos MEMS, lo que a menudo impone un requisito de envasado al vacío. El módulo MEMS tiene interfaces de propiedades físicas de amortiguación por película delgada especializadas, que resuelven la ecuación de Reynolds para determinar la velocidad y la presión del fluido y las fuerzas ejercidas sobre las superficies adyacentes. Dichas interfaces pueden emplearse para modelar la amortiguación por película exprimida o por película deslizante para una amplia gama de presiones (pueden incluirse los efectos de enrarecimiento). La amortiguación por película delgada está disponible en superficies arbitrarias en tres dimensiones y puede vincularse directamente a sólidos 3D.

Sensores piezorresistivos

El efecto piezorresistivo hace referencia al cambio en la conductividad de un material que se produce en respuesta a la aplicación de un esfuerzo. La facilidad de integración de las piezorresistencias de pequeño tamaño en procesos de semiconductores normales, junto con la respuesta razonablemente lineal del sensor, ha hecho que esta tecnología se haya vuelto particularmente importante en el sector de los sensores de presión. Con el fin de modelar sensores piezorresistivos, el módulo MEMS ofrece varias interfaces de propiedades físicas exclusivas para la piezorresistividad en sólidos o en envolventes. Combinando el módulo MEMS con el módulo Structural Mechanics, se habilita una interfaz de propiedades físicas de piezorresistividad para envolventes finas.

Mecánica de sólidos

La interfaz de propiedades físicas de mecánica de sólidos se emplea para realizar análisis de esfuerzos y de la mecánica de sólidos lineal y no lineal en general, así como para resolver los desplazamientos. El módulo MEMS incluye modelos de materiales elásticos lineales y viscoelásticos lineales, y usted puede complementarlo con el módulo Nonlinear Structural Materials para además incluir modelos de materiales no lineales. Pueden ampliar los modelos de materiales con características de dilatación térmica, de amortiguamiento y de esfuerzo y tensión iniciales. Además, se admiten varias fuentes de tensiones iniciales, lo que permite incluir contribuciones arbitrarias de tensión inelástica con múltiples orígenes físicos. En el módulo, la descripción de los materiales elásticos incluye los materiales isótropos, ortótropos y completamente anisótropos.

Termoelasticidad

La interfaz de propiedades físicas de termoelasticidad se emplea para modelar materiales termoplásticos lineales. Resuelve las ecuaciones para el desplazamiento de la estructura, las desviaciones de temperatura y la transferencia de calor resultante inducida por el acoplamiento termoelástico. La termoelasticidad es importante para modelar resonadores MEMS con un alto factor de calidad.

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Easy and Accurate Measurement of Blood Viscosity

Surface Acoustic Wave Gas Sensor

Capacitive Pressure Sensor

Composite Piezoelectric Transducer

Piezoelectric Shear-Actuated Beam

Electrostatically Actuated Cantilever

Thermal Initial Stresses in a Layered Plate

Microresistor Beam

Prestressed Micromirror

Thickness Shear Mode Quartz Oscillator

Biased Resonator-3D (pull-in, stationary, frequency domain and modal analyses)