C помощью уникального программного обеспечения для проектирования МЭМС – MEMS+ мы покажем, как проектировать микрозеркала. Результаты последних исследований и разработок впечатляют пользователей.  В статье продемонстрируем новые возможности MEMS+, которые позволяют решать особые задачи проектирования микрозеркал. Даже если вы сами не работаете над созданием микрозеркал, вы, возможно, слышали о новых мини-проекторах для смартфонов от Fraunhofer или о новых промышленных устройствах от таких компаний, как Mirrorcle Technologies, Inc, Hamamatsu или Preciseley Microtechnology Corp.

Если вы не слышали о них, будьте уверены, что реальный список компаний, работающих над новыми конструкциями зеркал, намного длиннее.

Пример проектирования микрозеркала

Некоторые пьезоэлектрические преобразователи на основе МЭМС используются для приведения в действие (или перемещения) микромасштабной конструкции. Например, микрозеркала на основе МЭМС используют пьезоэлектрическую силу для перемещения зеркал микронного размера. Эти микромасштабные зеркала используются в оптических системах сбора и отображения информации, их можно найти в таких продуктах, как видеодисплеи и датчики LIDAR, используемые в автономном управлении транспортными средствами. Конструкция микрозеркала, показанная ниже (Рисунок 2), построена путем размещения квадратного зеркала на верхней части ротора. Толстые балки с обеих сторон зеркала имеют пьезоэлектрический слой и используются для приложения момента (силы) к ротору. Под действием этой приложенной силы зеркало будет вращаться в диапазоне, который можно точно определить и контролировать.

Рисунок 2: Пьезоэлектрическое микрозеркало

Инженеры, которым поручено создание этих новых микрозеркал, сталкиваются со строгими техническими требованиями к скорости переключения, стабильности частоты, стабильности температуры, ударной стойкости, потребляемой мощности и т.д. Чтобы их конструкция соответствовала этим спецификациям, они должны иметь возможность полностью имитировать мультифизическое устройство и окружающую его электронику. Это возможно только при использовании очень эффективной модели микрозеркала. Классические подходы к моделированию, основанные на созданных вручную моделях сокращенного порядка, не подходят для зеркальных конструкций из-за сложной физики. Честно говоря, некоторые моменты физики заставили нас долго ломать голову.

Во-первых, типичные сканирующие и проекционные зеркала управляются электростатически далеко за пределами их линейного режима, что приводит к частотному гистерезису. Электростатические гребенчатые конструкции, которые наклоняют зеркало вне плоскости, полностью отключаются во время работы зеркала. В конце остаются только краевые поля, чтобы вернуть зеркало в горизонтальное положение. Вычисление правильных электростатических сил пальцев уже является большой проблемой для обычных полевых решателей. Нам, команде разработчиков MEMS+, необходимо было усовершенствовать существующие компоненты библиотеки гребенок, чтобы убедиться, что они будут точными даже при полностью отключенной гребенке. Было очевидно, что классическая аппроксимация пластинчатого конденсатора не поможет! Но в конечном итоге мы добились успеха, как показано на графике ниже, благодаря отличному согласованию между MEMS+ с отключением и нашим полевым решателем CoventorWare.

Во-вторых, наши гребенчатые модели MEMS+ не поддерживали гребенчатые пальцы между двумя подвижными гибкими конструкциями, что является четким требованием для моделирования двухосевых зеркал с карданным подвесом. Это тоже стало возможным в MEMS+ 6.5, как показано в приведенных ниже моделях:

MEMS+ 6.5 поставляется с новым набором моделей гребенчатых пальцев, которые позволяют пользователям создавать очень точные, параметрические мультифизические модели зеркал для быстрого моделирования переходных процессов в MATLAB, Simulink и Cadence Virtuoso.  Насколько быстро? Команда разработчиков Coventor слишком хорошо знает, что даже быстрое моделирование никогда не бывает достаточно быстрым. Наши пользователи постоянно ставят новые задачи моделирования, и разработчики микрозеркал не являются исключением! Они попросили нас улучшить скорость моделирования переходных процессов, чтобы позволить им выполнять кривые частотного гистерезиса в MATLAB, как показано ниже.

Для моделирования частотного гистерезиса требуется моделирование переходных процессов с множеством временных шагов. Из-за большого количества требуемых временных шагов время моделирования даже для моделей MEMS+ может составлять несколько часов. Явно дольше, чем кофе-брейк! Чтобы справиться с этой задачей, нам нужно было найти новые способы ускорения работы наших моделей. Параллельная обработка и дальнейшая оптимизация наших математических алгоритмов уже не помогли бы.

Мы нашли выход в виде моделирования с сокращенным порядком (ROM). Наши новые возможности экспорта MEMS+ ROM - еще один важный момент в выпуске 6.5, но это уже история для другого блога. Оставайтесь в курсе!