Системы автоматизированного проектирования МЭМС Coventor

Мы предлагаем решения в области проектирования микро электромеханических систем (МЭМС) компании Coventor Inc.

Изображение недоступно
Современные решения для
моделирования и проектирования МЭМС в среде CoventorMP

Основной функционал, возможности специализированной платформы разработки МЭМС-устройств – CoventorMP

Изображение недоступно
previous arrow
next arrow
Slider

Новые примеры устройств в версии CoventorMP 1.3

 

В дополнение к учебным материалам и примечаниям по использованию системы CoventorMP, включенных в интерактивную справочную систему, в новой версии представлены еще несколько примеров устройств. Файлы моделей для каждого примера включены в каталог установки CoventorMP \\Examples. Доступные примеры представлены в видео по ссылке. Для получения более подробной информации по конкретной конструкции, пожалуйста, нажмите на название модели, или воспользуйтесь нашим Youtube-каналом, где собраны в одном плейлисте все анимации с подробным описанием, а также можете обратиться с вопросом к нам на почту coventor@scanru.ru 

Акселерометры

SiGe Акселерометр

конструкция бокового акселерометра, основанная на IMEC SiGe.  Каталог \\Examples\SiGeAccelerometer содержит файлы моделей MEMS+ и CoventorWare.

Рисунок 1: Акселерометр SiGe

Сигма-дельта-акселерометр:

конструкция акселерометра, которая включает в себя четыре гребенчатых конденсатора и демпфирование сжатой пленки. Модель MEMS+ входит в конструкцию MATLAB Simulink и схему Cadence Virtuso в составе сигма-дельта-модулятора. Файл находится в папке in\\Examples\SigmaDeltaAccelerometer\Devices. Обратите внимание, что для моделирования контакта должна использоваться полная модель MEMS+. Модель Simulink с полной моделью MEMS+ использует импульс ускорения с нагрузкой, а модель Simulink с MROM использует синусоидальный вход, который представляет 1G без нагрузки.

Рисунок 2: Сигма-дельта-Акселерометр

Нестабильный Акселерометр:

этот пример представляет собой простое представление нестабильного акселерометра по оси Z. Файлы MEMS+ находятся в \\Examples\SeesawAccelerometer.

Рисунок 3: Нестабильный акселерометр

В файлы MEMS+ также включен зашифрованный файл MATLAB формата .p, который можно использовать для создания графика силы упругости и демпфирования, действующих на две пластины:

Рисунок 4: Сила упругости и демпфирования пружины за счет демпфирования сжатой пленки на параллельной пластине

Гироскопы

Z-осевой Гироскоп:

рассматривает конструкцию гироскопа на основе исследований, проведенных в Университете Британской Колумбии [5]. Модель построена в MEMS+ с использованием конечных элементов высокого порядка, включая балки, упругие пластинчатые сегменты и гребенчатые зубцы. Гироскоп приводится в действие в направлении оси X. Движение вокруг оси Z вызывает движение по оси Y, которое измеряется с помощью чувствительных гребней. Эта конструкция основана на процессе MEMSCAP SOIMUMPS, подробнее об этом производственном процессе см. в разделе MEMSCAP SOIMUMPs.

Рисунок 5: Z-осевой Гироскоп

В папке \\Examples\ZAxisGyroscope есть скрипт для построения модели, а также для моделирования.

Для построения модели используйте скрипт MATLAB Z_Axis_Gyroscope_SOIMUMPS.m; он использует SOIMUMPS Z-Axis Gyroscope.mpdk и Z-Axis Gyroscope.gds для создания Z-Axis Gyroscope.3dsch. Если вы хотите обойтись без создания модели, Z-Axis Gyroscope_prebuilt.3dsch она также предоставляется для Вас, но не забудьте изменить название модели, вызываемой в скриптах моделирования.

Для моделирования используется скрипт Z_Axis_Gyroscope_Simulations.m, который включает в себя следующие анализы:

  • анализ собственных мод
  • параметрическое исследование влияния размеров пучка на модальную частоту
  • влияние смещения постоянного тока на модальную частоту
  • квадратичная ошибка

Скрипты Z_Axis_Gyroscope_Statistical.m и RunSamples.m используются для проведения анализа Монте-Карло, который количественно определяет влияние изменения угла боковой стенки с распределением Гаусса (стандартное отклонение 0,1, среднее значение 0) на модальную частоту первой моды в каждое направление.

Пьезоэлектрический камертонный гироскоп:

пьезоэлектрический материал осаждается на зубьях камертонного гироскопа, а пьезоэлектрический эффект используется в качестве метода возбуждения и обнаружения.

Рисунок 6: Пьезоэлектрический камертонный гироскоп

Кольцевой гироскоп:

Этот гироскоп сконструирован из наружного кольца, восьми полукруглых опорных пружин, привода, датчиков и электродов управления. Он имеет две одинаковые моды эллиптической формы, которые имеют одинаковую частоту и разделены углом 45 градусов. Кольцо электростатически возбуждается в первичной моде и удерживается на фиксированной амплитуде.  Когда устройство вращается вокруг своей нормальной оси, сила Кориолиса вызывает передачу энергии из первичной моды во вторичную, вызывая увеличение амплитуды вторичной моды. Эта конструкция основана на статье Аязи и Наджафи [6].

Рисунок 7: Кольцевой Гироскоп

Магнитометр

Примером конструкции магнитометра является магнитометр силы Лоренца, созданный на основе конструкции Калифорнийского университета в Дэвисе. Он предназначен для определения двухосного поля B. Для получения дополнительной информации об этой конструкции см. Магнитометры силы Лоренца.

Файлы конструкции MEMS+ и скрипт MATLAB для моделирования определения Bz и Bx включены в папку \\Examples\Magnetometer\Devices.

Рисунок 8: Магнитометр

Ультразвуковой преобразователь

Микро ультразвуковой преобразователь, который опирается на пьезоэлектрические эффекты для срабатывание и считывание, называется pMUT. Эти устройства используются для идентификации отпечатков пальцев, распознавания жестов, неразрушающего контроля и медицинской диагностики (то же самое, что и макро ультразвуковые преобразователи). Ниже приведен пример pMUT на основе [7];  он представляет собой четверть устройства и смоделирован с компонентами многослойной оболочки Pie и Arcs. Симметрия используется для сокращения времени вычислений. Файлы модели MEMS + и сценарии MATLAB для моделирования устройства находятся в папке \\Examples\pMUT\Devices directory.

Рисунок 9: Четверть Пьезоэлектрического микро ультразвукового преобразователя

ВЧ Резонатор

Этот пример модели резонатора с квадратными ячейками включает файлы MEMS +, MATLAB и CoventorWare, с помощью которых можно проводить различные параметрические вариации проектных переменных (MEMS + и MATLAB) и более подробное исследование, такое как исследование напряжения, термоупругого демпфирование (TED) или демпфирования анкеров (CoventorWare). Для получения дополнительной информации об этой конструкции см. Разработка и моделирование МЭМС-резонаторов или запросите информацию в службе поддержки Coventor.

Рисунок 10: ВЧ Резонатор

Двухкоординатное зеркало

Пример Двухкоординатного зеркала (\\Examples\TwoAxisMirror) демонстрирует возможности геометрии MEMS+.

Рисунок 11: Двухкоординатное зеркало: вид сверху, снизу и прозрачный

Логический вентиль МЭМС

Пример логического вентиля МЭМС основан на статье Чена и др. [10] В конструкции используются омические переключатели МЭМС для реализации логики сверхнизкого энергопотребления. Модель MEMS+ импортируется в Cadence Virtuoso для создания генерации переноса схемы. Файлы MEMS+ и архив Cadence Virtuoso включены в соответствующую папку \\Examples\\LogicGate\Devices.

Рисунок 12: Логический МЭМС-вентиль

Гребенчатый актюатор с предварительным напряжением

Примером актюатора МЭМС Гребенчатый актюатор с предварительным напряжением. В папке \\Examples\PrestressedCombDriveActuator расположены файлы MEMS+ (каталог устройств) для моделирования подключения с помощью MEMS+ Simulator и файл базы данных CoventorWare для верификации устройств с помощью традиционного метода конечных элементов (МКЭ). Для минимизации времени моделирования используется симметричная модель, которая показана ниже. Обратите внимание, что моделирование CoventorWare занимает много времени и зависит от ресурсов вашего компьютера; моделирование заняло около пяти часов на компьютере с Windows 10 с двумя процессорами с тактовой частотой 2,9 ГГц и 32 ГБ оперативной памяти.

Рисунок 12: Гребенчатый актюатор с предварительным напряжением

Емкостной датчик влажности

Устройство емкостного датчика влажности основано на статье J. Kim et al и др. [11] Модель CoventorWare может быть использована для исследования зависимости емкости от диэлектрической проницаемости, а также влияния паразитной емкости и несовершенного диэлектрика.

Рисунок 13: Модель Емкостной датчик влажности в CoventorWare

Источники:

  1. Ray Chaudhuri, S. Severi, M. A. Erismis, L. A. Francis and A. Witvrouw, “SiGe MEMS Accelerometers Combining a Large Bandwidth with a High Capacitive Sensitivity,” Proc. Eurosensors XXVI, September 9-12, 2012, Kraków, Poland.
  2. Wen, K. Wouters, L. Haspeslagh, A. Witvrouw, R. Puers, “A Comb based In-Plane SiGe Capacitive Accelerometer for Above-IC Integration,” MME 2010.
  3. Asselot, A. Krust, A. Parent, C. Welham, "High Order MEMS Models for System Design," 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 27-30 May 2018.
  4. Fujii, Eiji, et al. "Preparation of (001)-oriented Pb (Zr, Ti) O/sub 3/thin films and their piezoelectric applications." IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 54.12 (2007): 2431-2431.
  5. Sharma, Mrigank, ”Design and Modeling of Advanced Gyroscopes”, Master of Applied Science Thesis in Faculty of Graduate Studies Electrical and Computer Engineering, University of British Columbia, Vancouver, Canada, September 2008.
  6. Ayazi, K. Najafi, "A HARPSS Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope", Journal of Microelectromechanical systems, Vol. 10, No. 2, June 2001.
  7. K Smyth and S Kim, “Experiment and Simulation Validated Analytical Equivalent Circuit Model for Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers,” IEEE Tran UFEC, Vol. 62 2015.
  8. Y Lu, A Heidari, D Horsley, “A High Fill-Factor Annular Array of High Frequency Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers,” JMEMS V24 2015.
  9. Mehdaoui, S. Rouvillois, G. Schröpfe1, G. Lorenz, M. Kaynak, M. Wietstruck, “Residual Stress and Switching Transient Studies for BiCMOS Embedded RF MEMS Switch Using Advanced Electro-Mechanical Models”.
  10. Chen et al, "Demonstration of integrated micro-electro-mechanical switch circuits for VLSI applications," 2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC), 7-11 Feb. 2010.
  11. Ji-Hong Kim Sung-Min Hong , Jang-Sub Lee , Byung-Moo Moon, and Kunnyun Kim, "High Sensitivity Capacitive Humidity Sensor with a Novel Polyimide Design Fabricated by MEMS Technology," 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, IEEE-NEMS 2009, Shenzhen, China, January 5-8, 2009.