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案例行业

电子行业

MEMS（微电子机械系统）装置分析

案例类别

芯片封装分析

问题描述

在MEMS 设计和分析软件市场中，Coventor 是公认的市场领袖。CoventorWare 是一组集成的软件，它利用 Abaqus 进行结构、热力学、压电分析及电机和组件相结合的结构部分的分析。以下利用此集成软件来解决问题。第一个为一个悬挂板式可变电容器，这种可变电容器是用于加速计、回转仪和射电频率 (RF) 产品中的可调电容器。在CoventorWare 中，利用Abaqus进行模型分析。可以通过改变有效材料密度来说明蚀刻空洞所占材料的质量，对没有蚀刻空洞的网格进行外形分析。在频率上，结果与包括蚀刻空洞的模拟非常的一致并且同时能够节省了时间，标称设计（不考虑工艺的不同对装置各层厚度、缝隙等的影响）的第一个频率预计为 80kHz，比更高模式要低很多。第二个是一个静电开关，静电开关用于有线通讯系统的微观继电器中和无线通信系统的被动 RF 开关中。

应用软件

网格划分

应用ANSA进行网格划分

计算求解

应用ABAQUS进行求解

计算分析

MEMS（微电子机械系统）装置的计算机分析具有与众不同的特点，需要有软件能够提供灵活的建模工具，对多重物理现象进行耦合，并将整个装置考虑到它们的宏观环境中去。为了满足这些要求，Abaqus和商用 MEMS 软件的开发者合作，向软件包提供必要的有限元分析功能。

在MEMS 设计和分析软件市场中，Coventor 是公认的市场领袖。CoventorWare 是一组集成的软件，它利用 Abaqus 进行结构、热力学、压电分析及电机和组件相结合的结构部分的分析。以下利用此集成软件来解决问题。第一个为一个悬挂板式可变电容器，这种可变电容器是用于加速计、回转仪和射电频率 (RF) 产品中的可调电容器。在CoventorWare 中，利用Abaqus进行模型分析。可以通过改变有效材料密度来说明蚀刻空洞所占材料的质量，对没有蚀刻空洞的网格进行外形分析。在频率上，结果与包括蚀刻空洞的模拟非常的一致并且同时能够节省了时间，标称设计（不考虑工艺的不同对装置各层厚度、缝隙等的影响）的第一个频率预计为 80kHz，比更高模式要低很多。下图为预测模式的外形和位移量。 

电子—机械特性以一种耦合的方式被确定，这种方式结合了装置的静电学和机械学。求解器通过以静电学和机械解的一个顺序反复迭代，使其结果正确。每一个新的解都要与以前的迭代进行比较，直到收敛。给悬挂电容器板加一个线性变化的电压，分析其电子机械性能。在“拉入”时，静电力克服机械回复力，电容器板折断或者拉向固定的电容器板。一旦与固定电容器板接触，悬挂电容器板的结构特性变为高度非线性。这种情况下，为了达到收敛，需要无数次求解迭代。由于分析的目的是为了确定拉入发生的时间，所以不考虑接触时的特性。右图所示的是在拉入发生之前悬挂电容器板上的位移量的等高线分布图。预期标称设计的拉入电压，介于 7.25 和 7.5 伏之间。确定一个 0.25 伏的范围是因为最后稳定点发生在 7.5 伏，在求解过程中决定使用 0.25 伏的范围。可以通过更小的压力阶跃对这个范围进行更精细的修正。

第二个是一个静电开关（参见图），静电开关用于有线通讯系统的微观继电器中和无线通信系统的被动 RF 开关中。

下图为一个 MEMS 开关的操作原理图。在“OFF”状态下，RF 线之间的电没有连通。在“ON”状态下，开关通过在开关自由端附近的金属凸起与传输线有电的连通。

由于静电 - 机械耦合分析计算上花费很大，所以简化了模型。许多开关的布局被删除，固定区域用合适的边界条件代替。应用的载荷是一个电压周期，即线性增加到 80 伏，然后线性减小到 0 伏。预测开关 ON 电压为 25 伏。