1. Быстрое проектирование МЭМС

Процесс проектирования компании Coventor начинается с построения параметрической модели пьезоэлектрического вибрационного сборщика энергии (Energy Harvesters) в MEMS +. Инженер-конструктор работает в трехмерной графической среде для создания параметрической модели путем сборки конечных элементов (пьезомеханических оболочек) более высокого порядка, специфичных для МЭМС. Каждый элемент связан с описанием процесса МЭМС и базой данных материалов, поэтому свойства пьезоэлектрических материалов и электродов назначаются автоматически. Элементы более высокого порядка обеспечивают точное математическое описание физики устройства и включают нелинейную механику, присущую этим устройствам. Кроме того, эти компоненты более высокого порядка были специально созданы для чрезвычайно быстрого моделирования в средах моделирования систем и схем, таких как MATLAB^®, Simulink^® и Cadence^® Spectre^®. Инженеры, работающие на уровне устройств, обычно предпочитают использовать MATLAB и Simulink, в то время как инженеры, занимающиеся проектированием ИС и систем, предпочитают работать в платформе Cadence.

Использование конечных элементов высшего порядка MEMS+ дает несколько преимуществ. Во-первых, командам инженеров-конструкторов больше не нужно тратить драгоценное время на ручное создание моделей сокращенного порядка (ROM) на основе метода конечных элементов (FEA) и/или аналитических выражений. Во-вторых, модели MEMS+ включают нелинейные эффекты, в отличие от моделей, созданных вручную, которые часто бывают только линейными. Нелинейные эффекты, которые могут повлиять на производительность устройства, включены в модель MEMS +, что снижает вероятность необходимости переделывать устройство на заключительных этапах разработки.

Рисунок 2: Схема проектирования Coventor для устройств сбора энергии (Energy Harvesters)

2. Управление питанием и проектирование схем с помощью Cadence

Модель MEMS+ может быть импортирована в среду Cadence Virtuoso^® несколькими щелчками мыши и помещена в схему, включающую схему обработки. Затем устройство сбора энергии (combined harvester) и схема могут быть смоделированы в Cadence Spectre. Затем можно одновременно изменять параметры устройство сбора энергии и параметры схемы для оптимизации работы устройства. Например, разработчик может настроить размеры устройства и резистивную нагрузку для получения максимальной передачи мощности от устройства сбора энергии к схеме управления. Различные схемы также могут быть протестированы для достижения желаемых требований к производительности.

Рисунок 3: Схема цепи Cadence Virtuoso и анализ Spectre, с графиком, показывающим мощность, передаваемую на нагрузочный резистор моста в зависимости от величины сопротивления

3. Верификация и окончательный анализ с помощью МКЭ

Дальнейшее детальное моделирование может быть завершено с помощью полевых решателей CoventorWare. Например, конструкция может быть проверена на предмет участков с высоким напряжением, которые могут привести к отказам от перегрузки из-за механического удара. Коэффициенты газового демпфирования также могут быть получены с помощью CoventorWare и включены в модель MEMS+ для более точного прогнозирования значения добротности. При необходимости результаты моделирования в MEMS+ и CoventorWare могут быть сверены друг с другом для обеспечения большей надежности до передачи в производство. Например, гармонический отклик замкнутого контура с линейной резистивной нагрузкой может быть смоделирован в обоих инструментах и сравнен.

Рисунок 4: Моделирование в CoventorWare сил газового демпфирования, действующих на вибрационное устройство сбора энергии

Комплексная платформа

Платформа Coventor объединяет инструменты MEMS+ и CoventorWare и обеспечивает комплексное решение для проектирования пьезоэлектрического устройства сбора энергии (Harvesting Combines). Платформа CoventorWare решает связанные и многодоменные физические проблемы, которые не решаются только с помощью обычного анализа методом конечных элементов (FEA). Эта гибридная методология имеет много преимуществ. Она позволяет совместно проектировать и моделировать устройство сбора энергии вместе со схемой. Модели являются параметрическими и быстро моделируются, что позволяет быстро исследовать изменения в конструкции и технологическом процессе. Устраняется трудоемкий процесс создания моделей сокращенного порядка на основе данных МКЭ и/или аналитических выражений, а получаемые модели имеют высокую точность.

Кроме того, платформа, объединяющая лучшие в своем классе симуляторы (например, Cadence Spectre и/или Matlab/Simulink) с моделями Coventor, предназначенными для МЭМС, обеспечивает оптимальное сочетание точности и возможностей. Cadence и Mathworks постоянно совершенствуют свою платформу в плане скорости и производительности, в то время как CoventorMP продолжает обеспечивать дополнительные (и улучшенные) элементы высшего порядка в нашей библиотеке MEMS+. Индивидуальные улучшения от каждой из этих компаний обеспечивают МЭМС разработчиков высокоинтегрированной и производительной платформой для проектирования МЭМС.