Modelowanie mikrosystemów - laboratorium - MEMS lab

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium
Ćwiczenie 1
Modelowanie ugięcia membrany krzemowej – modelowanie pracy
mikromechanicznego czujnika ciśnienia
Zadania i cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest dobranie odpowiedniej grubości membrany krzemowej
mikromechanicznego czujnika ciśnienia, dla zadanego zakresu ciśnień.
Zadaniem wykonującego ćwiczenie jest zaprojektowanie w programie AutoCAD struktury
czujnika ciśnienia oraz zamodelowanie pracy tego czujnika (membrany krzemowej) stosując
jako parametr grubość membrany krzemowej oraz siłę działającą na tę membranę.
Przebieg ćwiczenia.
Ćwiczenie składa się z trzech etapów:
 etap 1 – zaprojektowanie struktury czujnika ciśnienia w programie AutoCAD,
 etap 2 – zamodelowanie zaprojektowanej struktury w programie Comsol Multiphysics,
 etap 3 – prezentacja wyników.
1. Projekt AutoCAD.
Powszechnie produkowany czujnik ciśnienia (przykład na rysunku poniżej –
produkcja ITE Warszawa) składa się z części krzemowej osadzonej na słupku szklanym
o wysokości 2 mm. W podłożu krzemowym o grubości 380 µm, metodami
mikromechanicznymi i mikroelektronicznymi, wytworzono membranę krzemową oraz na jej
górnej części rezystory wdyfundowane (piezorezystory) i kontakty elektryczne. Tak
przygotowane podłoże łączy się z podłożem szklanym zawierającym szereg przelotowych
otworów w procesie bondingu anodowego. W kolejności, połączone podłoże dzieli się na
niezależne chipy – piezorezystancyjne czujniki ciśnienia – o wymiarach (najczęściej)
2,2 x 2,2 mm2 i wysokości 2,38 mm.
Membrana krzemowa ma najczęściej wymiary 1 x 1 mm2 i grubość dostosowaną do zakresu
ciśnień roboczych.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
W projekcie AutoCAD mikromechanicznego czujnika ciśnienia należy zatem przyjąć, że:
 struktura czujnika wykonana jest w podłoży krzemowym o orientacji
krystalograficznej (100) stosując mokre anizotropowe trawienie krzemu,
 powierzchnia membrany wynosi 1,0 x 1,0 mm2,
 grubość membrany 50 µm (wartość początkowa do symulacji).
Uwaga: Prowadzący może indywidualnie zmienić wymiary membrany krzemowej.
2. Symulacja.
Przeprowadzenie poprawnej symulacji wymaga:
 wybrania odpowiedniego modułu do symulacji,
 zaimportowania z pliku DXF zaprojektowanej struktury - modelu,
 określenia materiału, z jakiego zbudowany jest model,
 określenia warunków brzegowych,
 zadania odpowiedniej siatki – podział modelu na trójkąty (do obliczeń
wykorzystywana jest metoda elementów skończonych),
 umiejętna prezentacja wyników.
Zadaniem realizującego ćwiczenie jest wykonanie kilkunastu symulacji gdzie parametrem
będzie siła działająca na membranę krzemową przy jej stałej grubości.
3. Prezentacja wyników.
Realizujący ćwiczenie przygotowuje zwarty raport, w którym zawarty jest cel ćwiczenia,
krótki opis modelowanego obiektu oraz wyniki modelowania w formie obrazów graficznych
2D i 3D, przekrojów i wykresów.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Opis programu COMSOL Multiphisics
1. Wybranie odpowiedniego modułu do symulacji.
1. Uruchom program COMSOL Multiphysics,
2. W oknie dialogowym Model Nawigator, zakładce New, wybierz:
Space dimension: 2D
Application Modes / MEMS Module / Structural Mechanics / Plane Stress / Static
analysis
Wybór zatwierdź przyciskiem OK. Po zatwierdzeniu pojawi “czyste” się okno
programu.
2. Importowanie pliku AutoCAD do programu Comsol Multiphisics
2.1. Import pliku.
Zaimportuj odpowiedni plik z rozszerzeniem DXF wykorzystując ścieżkę:
File / Import / CAD Data From File …
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
2.2. Skalowanie.
Zaznacz obiekt.
Dopasuj wymiary obiektu (skalowanie) wykorzystując ścieżkę:
Draw / Modify / Scale
lub przycisk (skrót) menu pionowego, wpisując odpowiednie wartości.
Po skalowaniu wykorzystaj funkcję szybkiego dostosowywania wymiarów obiektu do
wielkości ekranu (Zoom Extents).
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
2.3. „Rozbijanie” obiektu.
Zaznacz obiekt.
„Rozbij” obiekt (Split Object) wykorzystując ścieżkę:
Draw / Modify / Scale
lub przycisk (skrót) menu pionowego.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
2.4. Tworzenie obiektu Solid.
Zaznacz obiekt.
Utwórz obiekt (Solid) wykorzystując ścieżkę:
Draw / Coerce To / Solid
lub przycisk (skrót) menu pionowego.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
3. Zadanie parametrów obiektu i symulacji.
3.1. Przypisanie materiału z jakiego zbudowany jest obiekt.
Wybierz opcję Subdomain Settings wykorzystując ścieżkę:
Phisics / Sybdomain Settings
W oknie dialogowym Subdomain selection zaznacz numer obiektu.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Określ materiał obiektu wybierając go z bazy materiałów.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Wybór zatwierdź przysiskiem Apply a następnie OK.
3.2. Zadanie warunków brzegowych.
Wybierz opcję Boundary Settings wykorzystując ścieżkę:
Phisics / Boundary Settings
W oknie dialogowym Boundary selection zaznacz odpowiednie odcinki. W zakładce
Constraint określ warunki brzegowe:
Fixed – dla odcinków nieruchomych,
Free – dla odcinków ruchomych, na które nie działa bezpośrednio siła oraz dla odcinków
ruchomych, na które siła działa bezpośrednio.
W zakładce Load, dla odcinków na które działa siła bezpośrednio, określ wartość tej siły.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
3.3. Podział obiektu na trójkąty (meshowanie).
Wybierz opcję Mesh wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego:
Zagęść siatkę wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego:
Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj
zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer.
Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki – jednakowe warunki
symulacji i otrzymanych wyników.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Jeśli to konieczne, zagęść siatkę lokalnie wykorzystując przycisk (skrót) menu
podstawowego:
Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj
zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer.
Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki – jednorodność
wyników.
3.4. Przeprowadzenie symulacji.
Wybierz opcję Bonduary Setteings wykorzystując ścieżkę:
Phisics / Bodnuary Settings
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
3.5. Prezentacja wyników.
Wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę:
Postprocessing / Plot Parameters
W zakładce Surface, opcji Prdefined quantities wybierz odpowiedni rodzaj
odkształceń lub naprężeń.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Wybór zatwierdź przyciskiem Apply a następnie OK.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Aby zobaczyć kształt pierwotny wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę:
Postprocessing / Plot Parameters,
a następnie w zakładce Deform zaznacz Deformed shape plot
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Aby uzyskać efekt animacji wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę:
Postprocessing / Plot Parameters,
a następnie w zakładce Animate ustaw parametry animacji i włącz Start Animation
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl