微机电系统多场耦合仿真分析

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1、万方数据第2卷第1期2004年3月动力学与控制学报JOURNAL0FDYNAMICSANDCONTROLV01．2No．1Mar．2004引言微机电系统多场耦合仿真分析‘高行山h2赵亚溥2吕胜利1邓子辰1(1．西北工业大学工程力学系，西安710072)(2．中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京100080)摘要在微电子机械系统(MEMS)研究和设计中，微系统数值仿真分析是一个重要研究领域．本文对MEMS中多种能量场耦合问题的各种数值仿真分析方法进行了综合评述．分析了该领域目前的研究现状并指出了其今后的发展方向．关键词微电子机械

2、系统，能量场耦合，计算机辅助设计近年来，微电子技术、计算机技术、新材料和生物医学工程的迅猛发展，极大地推动了微机电系统的发展．MEMS是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或微系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能．目前，MEMS的研究正在从基础研究阶段逐步跨人研制开发与实用阶段，但与此相对应的设计方法却没有同步的发展起来．长期以来，MEMS的设计者不得不通过直接制造原型的方法来验证设计．这种制造过程无疑浪费了大量的研制时闻和经费，因而不仅提高了研制成本，而且加大了研制周期．因此，现在迫切需要建立

3、一套微观尺度下的设计方法来为MEMS的设计提供指导．通过MEMS的建模与仿真研究，可以对从设计到制造的每个环节进行比较和验证，从而优化MEMS器件的设计，检验制造工艺的有效性，将MEMS产品的最终形态及功能立体地、多侧面地由计算机模拟、分析、展现出来，做到尚未真正加工出MEMS产品就对最终结果心中有数‘-一6】．1MEMS建模MEMS技术的首要问题和难题是精确、稳定、迅速的控制微机械构件的变形和运动规律，掌握其在微尺度下的尺度效应和表面效应，这是实现设计2004一ol一儿收到第一稿．·中科院力学研究所LNM资助项目(2003∞z)功能的关键

4、．MEMS结构器件，如微传感器和微执行器的设计中，模拟仿真程序已成为一种基本工具．微机电系统计算机辅助设计MEMSCAD以有限元分析方法为主，结合其它传统工程中的CAD技术而组成，在设计中对微电子机械元件进行有效的分析和仿真．MEMS其功能的实现，如微传感和微致动，都是通过热、电、磁、机械运动和变形等物理性质之间的转换来完成的．在这一过程中必然发生多种物理性质之间的相互耦合。对于较弱的耦合，在不影响问题许可精度的前提下，可忽略其耦合效应；但是对于较强的耦合，则必须考虑其耦合效应．这样一来，物质的状态空闼必须由更多的参数才能确定。除变形外，还

5、可能有电位移、磁场强度以及温度等，而且它们在状态空间中所处的“地位”完全和变形一样，这就使得我们必须结合力学、电磁学和热学等多个物理领域的知识来描述物质的变形和动力学特点．目前商品化的有限元软件包一般只能求解单独的一种能量场问题(如包含变形、应力和动力学特性的力能量场问题、电磁场问题或流场问题)和一些简单的两种能量场耦合问题(如热一力效应问题和压电效应问题)．对于更多能量场耦合问题，就无能为力了．另外，由于大多数MEMS器件几何结构复杂，再加上多个能量场强耦合，其行为必然表现为强非线性，这也给系统建模和设计算法增加了不少难度．因此耦合能量场

6、仿真问题已成为MEMSCAD中的关键技术，也吸引了越来越多的研究者把注意力放万方数据第1期高行山等：微机电系统多场耦合仿真分析71到这方面来u~1引．目前国际上用于MEMS计算机辅助设计的商用软件包主要有[2]：Coventor开发研制的CoventorWare，CoventorWare是目前世界上功能最强、规模最大的MEMS专用软件．拥有几十个专业模块，功能包含MEMS器件／系统的设计、工艺和仿真．IntelliSense开发研制的IntelliCAD，主要进行机一电一热的分析，在工艺仿真方面具有较大的灵活性．瑞士联邦技术研究开发研制的S

7、OLIDIS，有较灵活的网格划分，善于进行热变形和热致动的分析．法国微系统公司memscap开发研制的MEMSPro为工程设计中普通MEMS设计者和MEMS专家提供考虑MEMS和IC混合作用的、在Windows操作系统下的设计环境．MEMSPro是一个用户化的易于使用的平台，还可以根据某个厂家的制造工艺进行工艺处理定义．此外还有密歇根大学的CAEMEMS．但是现在的MEMSCAD在计算速度、建模和应用范围方面都还存在着缺陷．我国目前主要使用H—Spice等IC设计软件及ANSYS等结构分析软件，还没有专门的用于MEMS计算机辅助设计的软件．

8、2能量场耦合模拟自20世纪80年代后期，准静态硅微马达出现以来，也刺激了多能量场耦合分析的发展，尤其是静电驱动分析的发展，它把结构的电容也作为转子位置的一个函数．Shi[8]把联