MEMS设计结课作业.docx
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MEMS设计结课作业
平时上课出勤及表现(20%)
实验课出勤/实验结果检查/实验报告/期中测试(30%)
课程结业试题
理论/设计/总结报告
(50%)
课程最终成绩
上面表格为该课程最终成绩记入方法。
2011/2012学年第2学期
《MEMSCAD》课程结业试题
本结业试题包括:
一、理论部分;
二、综合设计实验部分;
三、本课程主要内容总结报告。
理论试题部分
(40分)
综合设计实验仿真部分
(40分)
课程总结报告
(20分)
总分
拟题教师:
谭秋林E-mail:
tanqiulin@
2012-4-10
一、理论部分
1、按您的理解,请阐述运用ANSYS软件进行分析求解问题的基本步骤和思路。
结合本专业,谈谈其在所学专业中的应用。
(10分)
答:
使用ansys软件的基本步骤和思路:
定义参数,建模,网络划分,施加约束,加载荷求解,结果分析
Ansys在微电子学专业中的应用:
ANSYS是一个通用的有限元分析软件,它的能用性就表现它多种多样的分析能力,包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。
而且,ANSYS还具有产品的优化设计、估计分析等附加功能。
MEMS技术涉及力学、流体力学、热学、电学和电磁学等多学科交叉问题,MEMS器件作为新型器件,其设计已不再是传统意义上的设计,而是包含了新工作机理的探索和新器件结构的开发。
MEMS器件的设计需要综合多学科进行理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规的分析计算方法已无法应付设计需求。
所幸的是当今计算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中得到广泛的应用,二维和三维计算机绘图技术的发展使我们能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计。
有限元技术的应用使得人们可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能,对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能,从而能够对MEMS器件结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
2、分别阐述INTELLISUITE和L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。
说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的基本步骤。
(16分)
答:
IntelliSuite提供从概念设计到产品制造的MEMS解决方案。
可进行多物理量的分析,其模拟和分析模块使用户无须进入实际生产即可评估所设计器件的工艺可行性和工作性能。
它的突出特点是将著名的开发工具与先进的流水相结合,使MEMS产品迅速走向市场。
具有多项领先技术和首要发明创新。
软件可广泛运用于MEMS各个环节,是设计、分析、模拟仿真传感器、加速度计、激励器、生物微流体芯片、射频开关以及光学MEMS器件的强大工具。
L-Edit包含IC设计编辑器、自动布线系统、DRC设计规则检查器、netlist网表提取器、设计布局与电路netlist的比较器,这些模块组成了一个完整的IC设计与验证解决方案。
L-EditPro丰富完善的功能为每个IC设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。
INTELLISUITE软件分析仿真的步骤:
(1)工艺设计:
包括硅片的加工、玻璃片的加工以及键合/封装工艺;
(2)工艺仿真:
用mask创建掩膜图形,用IntelliFab进行工艺仿真。
①定义一个硅片;②清洗所定义的硅片;③在硅片底部淀积一层SiO2;④再在其上淀积一层光刻胶;⑤清洗光刻胶;⑥刻蚀SiO2;⑦刻蚀硅片;⑧清洗全部的光刻胶;⑨刻蚀掉全部的SiO2。
根据需要可以进行各种工艺。
3、请阐述用完全法(Full)进行多步载荷下的工程问题的求解基本思路与方法。
(6分)
答:
1>Mainmenu>solution>analysistype>newanalysis>transient>full
展开载荷步选项菜单mainmenu>solution>unabridgedmenu
展开载荷步选项菜单后,设置时间和载荷步solution>loadstepopts>time/frequent>time-time’step在弹出的对话框[timeatendofloadstep]输入2.5E-005在[steppedorrampedb.c]单选列表中选择stepped
2>solution>loadstepopts>time/frequent>time-timesubstep>numberoftimesubstep输入50
3>设置结果输出选项preprocessor>loads>loadstepopts>outputctrls>DB/results选择Everysubstep
4>加载求解
4、按您的理解,请预测国内以及欧洲等发达国家在未来十年后MEMSCAD技术的发展情况,目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。
(8分)
答:
MEMS(MicroElectroMechanicalSystems,微机电系统)是多种学科交叉融合并具有战略意义的前沿高技术,是未来的主导产业之一。
MEMS以其微型化的优势,在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。
1)国外概况:
MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视,其主要技术途径有3种:
(1)以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;
(2)以德国为代表发展起来的LIGA技术;(3)以日本为代表发展的精密加工技术。
2)国内概况:
我国MEMS的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。
经过10年的发展,我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。
包括京津地区,如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信息产业部电子49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西南地区,如重庆大学,信息产业部电子24所、44所和26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航天771所等。
这些因地域而组成的研究集群,已形成彼此协作、互为补充的关系,为我国的MEMS研究打下了良好的基础。
我国MEMSCAD的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,但相对于发达国家而言我们仍是有差距,主要表现在设计能力以及加工水平上,不过这会随着我国科技的发展逐渐变小的。
在CAD封装和测试方面,MEMS和IC最大区别在于MEMS要与现实世界发生多方面的相互作用,涉及多种能量和物质的传输和处理,因此比IC要复杂得多,成为MEMS技术进一步发展的瓶颈。
MEMS的可靠性和应用研究也是目前MEMS技术的难点。
可靠性是MEMS器件使用者最关心的问题之一,尤其是在MEMS应用于医疗领域时,可靠性尤为突出。
粘附、杂质玷污以及加工中的残余应力,是目前MEMS中造型机械结构失效的主要原因。
目前各国的科研机构已对这些问题给予了高度的重视,正在努力地解决,并有所突破。
二、综合性设计实验:
实验一:
隧道式硅微加速度计的设计与仿真
图1加速度计的尺寸结构图图2加速度计结构顶视图
题意:
图为隧道电流式硅微加速度计的结构尺寸外型图,设计建立模型并求解。
该隧道电流式加速度计的结构设计参数主要有:
质量块边长L,质量块厚度h,梁宽w,梁长Ld,梁厚d,打折梁长L0。
这些结构设计参数的取值受到的主要限制有:
(1)现有硅制造工艺水平;
(2)材料的钢度、强度;(3)加速度计量程。
初始尺寸:
(单位:
um)
质量块:
正方形边长a=980、厚度c=80悬臂梁:
梁长L=1050、梁宽w=20、高d=25
打折梁长:
L1=50,支撑柱高50(为了方便观测,值取的较大),底座高150
求解:
1)建立隧道电流式加速度计模型及进行合理的网格划分;(10分)
2)对模型加载边界条件全约束和质量块150g的加速度,然后进行ANSYS求解分析,查看结构各部分的受力状况;(5分)
3)求解六阶模态,并在word文档中保存其前六阶模态云图;(5分)
4)采用完全法对加速度传感器模型进行瞬态分析。
在结构敏感方向上(Z方向)加载一个持续时间为25μs的冲击加速度,值为200g。
将载荷分为50个子步,画出其隧尖的最大位移曲线。
(10分)
5)用INTELLISUITE软件进行简单的工艺设计与仿真。
(10分)
实验步骤:
1.定义工作名、工作标题、过滤参数
1)定义工作名:
Utilitymenu>File>Jobname输入suidaoweijiasuduji
2)工作标题:
Utilitymenu>File>ChangeTitle输入09060242-32-liuyang
2.选择单元类型:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
StructuralSolid>brick8node45单击OK
3.设置材料属性
1)定义材料的弹性模量EX,MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Material
Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic,弹性模量EX=190e9,泊松比PRXY=0.3
2)定义材料的密度DENS,MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>density,DENS=2300
4.建立模型:
1)建立体结构:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimension,依次输入以下数据
坐标
X1
X2
Y1
Y2
Z1
Z2
质量块
-490E-6
490E-6
-490E-6
490E-6
0
80E-6
打折梁1
490E-6
540E-6
470E-6
490E-6
0
25E-6
打折梁2
470E-6
490E-6
-540E-6
-490E-6
0
25E-6
打折梁3
-490E-6
-540E-6
-470E-6
-490E-6
0
25E-6
打折梁4
-490E-6
-470E-6
490E-6
540E-6
0
25E-6
悬臂梁1
540E-6
560E-6
-560E-6
490E-6
0
25E-6
悬臂梁2
-560E-6
490E-6
-540E-6
-560E-6
0
25E-6
悬臂梁3
-540E-6
-560E-6
560E-6
-490E-6
0
25E-6
悬臂梁4
-490E-6
560E-6
540E-6
560E-6
0
25E-6
支撑住1
560E-6
540E-6
-560E-6
-580E-6
25e-6
-80E-6
支撑住2
-560E-6
-580E-6
-560E-6
-540E-6
25e-6
-80E-6
支撑住3
-560E-6
-540E-6
560E-6
580E-6
25e-6
-80E-6
支撑住4
560E-6
580E-6
560E-6
540E-6
25e-6
-80E-6
底座
-580E-6
580E-6
-580E-6
580E-6
-80E-6
-200e-6
体结构如图所示
2)建立遂尖:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>cone>ByDimension
RBOT=0,RTOP=20um,Z1=0um,Z2=-5um点击OK,如图所示
5.粘接所有体:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes,PickAll
6.划分网格:
MainMenu>Preprocessor>MeshTool...
1)将智能网格划分器(SmartSizing)设定为“on”
2)将滑动码设置为“6”(也可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格)
3)确认MeshTool的各项为:
Volumes,Tet,Free
4)MESH—PickAll(如果在网格划分过程中出现任何信息,拾取“OK”或“Close”)
5)关闭MeshTool结果如图
7.静力学分析
1)指定分析类型及分析选项
a.MainMenu>Solution>NewAnalysis>Static进行静力学分析
b.MainMenu>Solution>Sol’nControls,单击标签“Basic”,在CalculatePrestresseffects选项前打“√”。
打开预应力选项。
单击OK
2)施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度。
3)施加集中力载荷:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity>
Global在ACELZGlobalCartesianZ-comp中输入-1500,点击OK
4)求解:
单击菜单MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。
5)进行静力学分析:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSoluDOF>Displacementvectorsum。
观察结果,如图所示
8.进行模态分析
1)指定分析选项,MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>Modal
2)施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度。
3)分析选型设定,MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions
在弹出对话框中,指定Modeextractionmethod(模态提取方法)为BlockLanczos(块兰索斯法),并指定No.ofmodesextract(提取模态的阶数)为6,将Expandmodeshapes(模态扩展)设置为“YES”,在No.ofmodestoexpand(模态扩展阶数)文本框中输入6。
将Inclprestresseffects(预应力效应)设置为“YES”,单击ok按钮,将会弹出BlockLanczosMethod(兰索斯法模态分析选项)对话框,指定的值为:
StartFreq(开始频率)是0,EndFrequency(结束频率)是99999999。
单击ok按钮
4)进行求解MainMenu>Solution>CurrentLS
5)观察解得的模态
a.MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet,
b.MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSoluDOF>Displacementvectorsum
c.MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>NextSet,选第二阶模态。
d.选取菜单路径MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu
选择stress>vonMises>OK图形窗口中将显示出第二阶模态振型。
f.对余下的各阶模态重复步骤c~d,观察所求解的各阶模态的振型
一阶模态分析图二阶模态分析图
三阶模态分析图四阶模态分析图
五阶模态分析图六阶模态分析图
9.进行瞬态分析
1)指定分析类型及分析选项MainMenu>Solution>NewAnalysis>Transient点击OK,在弹出窗口中[TRNOPT]中选择full点击OK。
2)施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度
4)定义时间段MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol'nConctrols输入Timeatendofloadstep=0.1e-6,FullTransientOptions选择SteppedLoading,点击OK.
5)施加集中力载荷:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural
>intertia>gravity>gloabe,输入ACELZ=-2000,点击OK,
6)求解:
单击菜单MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。
7)重复第4,5,6步,输入Timeatendofloadstep=5e-6,Timestepsize=0.5e-6,点击OK,在Z轴方向施加力为-2000,点击OK;每间隔5us选一个数值,直到Timeatendofloadstep=25e-6。
8)MainMenu>TimeHistPostpro>definevariables,点ADD>NodalDOFresult,点OK,选遂尖,选translationUZ,点OK.
9)MainMenu>TimeHistPostpro>Graphvariable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如下图
三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告,报告的第一部分为本课程的主要内容总结,第二部分请您谈谈你对本课程学习的认识与体会。
(20分)
A.MEMSCAD课程的主要内容:
1.ANSYS软件的简介
ANSYS是一个功能强大、灵活的设计分析及优化,融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。
可与CAD、CAM软件实现数据共享及交换,可实现产品的仿真分析,大大缩短设计周期,降低设计成本、加快产品开发。
应用范围广:
核工业、建筑、航天航空、机械制造、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、船舶、轻工制造、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。
2.Ansys软件的使用
1)Ansys软件的安装及其功能介绍
按照课件安装Ansys10.0或11.0.
2)实体建模
Ansys中的建模方法有两种:
自底向上(首先建立关键点,用这些点建立线、面等)和自顶向下(首先定义体(或面),然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状)。
3)网格划分
在网格划分之前需要进行单元的属性设置。
归纳起来,网格划分生成节点和单元的过程主要包括以下3个步骤:
a.定义单元类型,材料特性
单元库提供了100多种单元类型,并按类型分了类,几乎能解决大部分常见问题,如SOLID96、BEAM3、SHELL3等。
在有限元分析过程中,对于不同的问题需要不同特征的单元,单元选择不当,直接影响到计算能否进行和结果的精确度。
实常数的设置是依赖于单元类型的,如BEAM单元的横截面特性、SHELL单元的厚度设置等。
定义材料参数就是输入进行有限元分析的材料本构关系。
根据分析问题的不同,材料参数可以是:
①线性或非线性;
②各向同性、正交异性或非弹性;③不随温度变化或随温度变化。
b.定义网格划分控制
选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令,打开网格划分工具对话框,网格划分控制可以进行单元属性设置、SmartSize网格划分控制、单元尺寸设置、单元形状控制、网格划分器选择、网格划分优化。
其中网格划分尺寸控制是重点内容。
网格划分可分为关键点网格划分、线网格划分、面网格划分、体网格划分。
C.划分网格
主要分为两种:
自由式网格划分和映射式网格划分。
通过实验和理论计算,映射式网格化比自由式网格化更接近理论。
4)施加载荷与求解
a.施加加载:
以特性而言,载荷可分为6大类:
自由度(DOF)约束、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。
b.求解:
载荷施加完成后即可进行有限元的求解。
通常有限元求解的结果为:
①节点的自由度值——基本解;②原始解的导出解——基本解。
5)静力学结构分析
静力分析中所施加的载荷主要包括:
外部施加的作用力或压力;稳态的惯性力(如重力和离心力);位移载荷;温度载荷。
求解静力分析的主要步骤为:
1选择分析类型MainMenu>Solution>NewAnalysis>Static;
2施加载荷和边界条件并求解;
3结果分析和评价。
6)动态分析(模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析)
a.模态分析
模态分析的过程有以下4个步骤组成:
①建模;②选择分析类型和分析选项;③施加边界条件并求解;④评价结果。
b.瞬态分析
瞬态分析主要由以下几步组成:
①建模;②选择分析类型;③定义边界条件和初始条件;④施加时间历程载荷并求解;⑤查看结果。
c.谐波响应分析
谐波响应分析的基本步骤有:
①建模;②选择分析类型及选项;③施加体载荷并求解;④查看结果。
B.对MEMSCAD课程的认识与体会
通过近一学期的MEMSCAD课程的学习,我初步了解了ANSYS软件的使用方法,以及该软件在行业领域的意义。
通过老师的指导,我基本掌握了ANSYS的用法,再加上对瞬态分析的自学,增强了我的自学能力。
当然,在每次做新的模型时也会遇到很多问题,例如:
经常忘记保存,忘记选择单元类型,没注意建模的单位。
不过熟能生巧,经过多次的练习,不会再犯同样的错误,这也加深了我的严谨性,为以后工作上的严谨积累了经验。
通过对一学期的学习和这最后一次作业的完成,我已经初步掌握了使用ANSYS的基本方法和基本步骤,能够独立完成较复杂的模型建立与分析。
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- MEMS 设计 作业