微机电系统第二章MEMS设计基础.ppt

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1、Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)杨大勇第二章第二章MEMSMEMS设计基础设计基础内容提要硅晶体结构与微观力学硅晶体结构与微观力学微尺度效应微尺度效应MEMS中的材料应用及进展中的材料应用及进展MEMS设计的基本问题设计的基本问题MEMS设计的具体方法设计的具体方法提问提问1.MEMS的分类和特点？2.MEMS的典型产品有哪些？分别应用在哪些领域？3.MEMS的设计涉及那些学科？4.可以用作MEMS中的材料有哪些？四、MEMS设计的基本问题MEMS设计的目的分为三类：(1)(1)

2、作为作为作为作为技术探索技术探索技术探索技术探索而设计的组件或系统：一般是为了验而设计的组件或系统：一般是为了验而设计的组件或系统：一般是为了验而设计的组件或系统：一般是为了验证研究者的某种设计思想，测试某种制作工艺的合理性与证研究者的某种设计思想，测试某种制作工艺的合理性与证研究者的某种设计思想，测试某种制作工艺的合理性与证研究者的某种设计思想，测试某种制作工艺的合理性与局限性，因此，只需制作少量的试样就够了。局限性，因此，只需制作少量的试样就够了。局限性，因此，只需制作少量的试样就够了。局限性，因此，只需制作少量的试样就够了。(2)(2)作为作为作为作为仪器研发仪器研发仪器研发仪器研发而设

3、计的组件或系统：设计的设备将而设计的组件或系统：设计的设备将而设计的组件或系统：设计的设备将而设计的组件或系统：设计的设备将用于完成某种科研活动或某种高度专业化的任务，对这种用于完成某种科研活动或某种高度专业化的任务，对这种用于完成某种科研活动或某种高度专业化的任务，对这种用于完成某种科研活动或某种高度专业化的任务，对这种目的的设计，必须注意仪器、设备的准确性，而对产品需目的的设计，必须注意仪器、设备的准确性，而对产品需目的的设计，必须注意仪器、设备的准确性，而对产品需目的的设计，必须注意仪器、设备的准确性，而对产品需求的数量可视具体情况而定。求的数量可视具体情况而定。求的数量可视具体情况而定

4、。求的数量可视具体情况而定。(3)(3)作为作为作为作为商业产品商业产品商业产品商业产品而设计的组件或系统：设计的产品将而设计的组件或系统：设计的产品将而设计的组件或系统：设计的产品将而设计的组件或系统：设计的产品将用于商业化的生产和销售，其需求的数量及产品的准确性用于商业化的生产和销售，其需求的数量及产品的准确性用于商业化的生产和销售，其需求的数量及产品的准确性用于商业化的生产和销售，其需求的数量及产品的准确性和精密度，可按市场的要求而定。和精密度，可按市场的要求而定。和精密度，可按市场的要求而定。和精密度，可按市场的要求而定。阶段：概念设计、基本设计、详细设计以及概念设计、基本设计、详细设

5、计以及概念设计、基本设计、详细设计以及概念设计、基本设计、详细设计以及CADCAD和仿真和仿真和仿真和仿真等等等等 3 3 3 3）多能量域耦合）多能量域耦合）多能量域耦合）多能量域耦合要求知识学科跨度大要求知识学科跨度大建模、分析难度大建模、分析难度大计算量大计算量大特点：特点：特点：特点：目的：目的：目的：目的：设计阶段比较方案，检验掩模设计阶段比较方案，检验掩模设计阶段比较方案，检验掩模设计阶段比较方案，检验掩模/工艺可行性工艺可行性工艺可行性工艺可行性1、MEMS的CAD1 1 1 1）微小结构尺寸）微小结构尺寸）微小结构尺寸）微小结构尺寸 尺度效应对工作机理的影响尺度效应对工作机理的

6、影响尺度效应对工作机理的影响尺度效应对工作机理的影响 晶体内部结构对材料性质的影响晶体内部结构对材料性质的影响晶体内部结构对材料性质的影响晶体内部结构对材料性质的影响 2 2）MEMSMEMS制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺工艺可能改变材料机械工艺可能改变材料机械/电性质电性质与微电子联系紧密与微电子联系紧密设计时需要考虑的几个因素 对商业产品而言，五个因素都很重要；对仪器研发对商业产品而言，五个因素都很重要；对仪器研发对商业产品而言，五个因素都很重要；对仪器研发对商业产品而言，五个因素都很重要；对仪器研发而言，有必要关注以上所有的因素，而且与使用的而言，有必要关注以上所有的因素，而且与使用的

7、而言，有必要关注以上所有的因素，而且与使用的而言，有必要关注以上所有的因素，而且与使用的制作技术有关；对于技术探索来说，则可暂不必考制作技术有关；对于技术探索来说，则可暂不必考制作技术有关；对于技术探索来说，则可暂不必考制作技术有关；对于技术探索来说，则可暂不必考虑市场需求。虑市场需求。虑市场需求。虑市场需求。总体而言，总体而言，总体而言，总体而言，掌握相关技术掌握相关技术掌握相关技术掌握相关技术无论对哪种目的的设计都无论对哪种目的的设计都无论对哪种目的的设计都无论对哪种目的的设计都十分重要。十分重要。十分重要。十分重要。2、MEMS建模所谓所谓所谓所谓建模建模建模建模，是对现实世界中的某一特

8、定的研究对象，为达到某，是对现实世界中的某一特定的研究对象，为达到某，是对现实世界中的某一特定的研究对象，为达到某，是对现实世界中的某一特定的研究对象，为达到某种特定的目的，做一些必要的简化和假设，根据物理学的基本种特定的目的，做一些必要的简化和假设，根据物理学的基本种特定的目的，做一些必要的简化和假设，根据物理学的基本种特定的目的，做一些必要的简化和假设，根据物理学的基本规律，运用适当的数学工具，得到一种数学表达式，用来描述规律，运用适当的数学工具，得到一种数学表达式，用来描述规律，运用适当的数学工具，得到一种数学表达式，用来描述规律，运用适当的数学工具，得到一种数学表达式，用来描述研究对象

9、的物理本质。它可能解释特定现象的现实形态，也可研究对象的物理本质。它可能解释特定现象的现实形态，也可研究对象的物理本质。它可能解释特定现象的现实形态，也可研究对象的物理本质。它可能解释特定现象的现实形态，也可能预测研究对象的未来状况，还可能提供最佳的设计方案和最能预测研究对象的未来状况，还可能提供最佳的设计方案和最能预测研究对象的未来状况，还可能提供最佳的设计方案和最能预测研究对象的未来状况，还可能提供最佳的设计方案和最佳的控制方法。佳的控制方法。佳的控制方法。佳的控制方法。2、MEMS建模建模过程建模过程建模过程建模过程 工程实际状态的模型化工程实际状态的模型化工程实际状态的模型化工程实际状

10、态的模型化 物理模型的建立物理模型的建立物理模型的建立物理模型的建立 数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立 仿真仿真仿真仿真 验模验模验模验模建模要求建模要求建模要求建模要求 正确性正确性正确性正确性 可视性可视性可视性可视性 网格划分的适用性网格划分的适用性网格划分的适用性网格划分的适用性目的目的目的目的：对实际工程状态的特性进行分析计算：对实际工程状态的特性进行分析计算：对实际工程状态的特性进行分析计算：对实际工程状态的特性进行分析计算五、MEMS设计的具体方法A.A.微分方程组求解法微分方程组求解法物理有效量多与时间和空间有关，物理有效量多与时间和空间有关，物理有效量

11、多与时间和空间有关，物理有效量多与时间和空间有关，因此求解较难因此求解较难数学近似方法：将微分转换为差分等数学近似方法：将微分转换为差分等B.有限元方法有限元方法将研究对象物理近似成模型将研究对象物理近似成模型数学近似方法：离散化数学近似方法：离散化两种分析方法两种分析方法有限元方法简介有限元方法简介有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随

12、后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。流体力学等连续性问题。有限元以有限元以结构力学和弹性力学结构力学和弹性力学为理论基础，以计算机为为理论基础，以计算机为媒体，以媒体，以有限元程序有限元程序为主体，对大型结构工程的数值计为主体，对大型结构工程的数值计算方法。算方法。有限元的核心思想是结构的有限元的核心思想是结构的离散化离散化，就是将实际结构假，就是将实际结构假想地离散为有限数目简单单元的组合体，实际结构的物想地离散为有限数目简单单元的组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散单元进行分析，得出理性能可以通过对离散单元进行分

13、析，得出满足工程精满足工程精度的近似结果度的近似结果来替代对实际结构的分析。来替代对实际结构的分析。MEMS设计软件设计软件ANSYSANSYSMEMSPROMEMSPROIntellisuite Intellisuite CoventerWARE CoventerWARE COMSOL MultiphysicsCOMSOL MultiphysicsANSYS简介简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实软件接口，实现数据的共享和交换，如现数

14、据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,AutoCAD等，等，是现代产品设计中的高级是现代产品设计中的高级CAE工具之一。工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。动器械等。ANSYS

15、软件主要包括三个部分：软件主要包括三个部分：前处理模块（前处理模块（preprocessing）、分析计算模块（）、分析计算模块（solution）和后）和后处理模块（处理模块（postprocessing）。）。1 ANSYS在MEMS设计中的应用直接耦合直接耦合方法方法受到耦合许可的限制受到耦合许可的限制序贯耦合序贯耦合方法方法对一个物理场进行分析后，将结对一个物理场进行分析后，将结果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程度不高，序贯耦合分析是有效的度不高，序贯耦合分析是有效的多物理场耦合问题多物理场耦合问题多物理场耦合问题多物理场耦合问题模

16、块模块模块模块结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等静态分析静态分析求变形、电场、磁通密度及应力分布等求变形、电场、磁通密度及应力分布等模态分析模态分析求固有频率和振型求固有频率和振型谐波响应分析谐波响应分析求对谐波载荷（电流、电压和力等）求对谐波载荷（电流、电压和力等）的响应的响应瞬态响应分析瞬态响应分析求系统对任意随时间变化载荷（电求系统对任意随时间变化载荷（电流、电压和力等）的响应。流、电压和力等）的响应。压电分析问题压电分析问题压电分析问题压电分析问题微细化处理问题微细化处理问题微细化处理问题微细化处理问题网格直接局部细分法网格直接局部细分法欠缺尺

17、度效应的考虑欠缺尺度效应的考虑 ANSYS分析基本过程分析基本过程 ANSYS分析过程包含三个主要的步骤：分析过程包含三个主要的步骤：1 创建有限元模型并划分网格创建有限元模型并划分网格 2 施加载荷并求解施加载荷并求解 3 后处理过程后处理过程 定义工程名称和分析标题定义单位定义单元类型定义单元实常数定义材料特性创建有限元模型定义材料属性划分网格定义分析类型施加载荷求解查看计算结果前处理求解后处理具具体体步步骤骤 COMSOL简介简介COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的真软件，由瑞典的COMSOL 公司开发，广泛应公司开发，广泛

18、应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域，适用于模拟科学和工程领域的的各种各种物理过程。物理过程。COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。域里得到广泛的应用。COMSOL Multip

19、hysics 集集前处理器、求解器和后前处理器、求解器和后处理器处理器于一体，在同一个图形化操作界面中可以完于一体，在同一个图形化操作界面中可以完成几何建模、网格剖分、方程和边界参数设定、求成几何建模、网格剖分、方程和边界参数设定、求解以及后处理。解以及后处理。OMSOL Multiphysics 提供丰富的工具，供用户在提供丰富的工具，供用户在图形化界面中构建自己的几何模型，例如图形化界面中构建自己的几何模型，例如 1D 中通中通过点、线，过点、线，2D中可以通过点、线、矩形、圆中可以通过点、线、矩形、圆/椭圆、椭圆、贝塞尔曲线等，贝塞尔曲线等，3D中通过球中通过球/椭球、立方体、台、椭球、

20、立方体、台、点、线等构建几何结构，另外，通过镜像、复制、点、线等构建几何结构，另外，通过镜像、复制、移动、比例缩放等工具对几何对象进行高级操作，移动、比例缩放等工具对几何对象进行高级操作，还可以通过布尔运算方式进行几何结构之间的切割、还可以通过布尔运算方式进行几何结构之间的切割、粘合等操作。粘合等操作。2 COMSOL在在MEMS设计中的应用设计中的应用COMSOL Multiphysics的微机电模块（的微机电模块（MEMS）包）包含了从微观流体学、电磁含了从微观流体学、电磁-结构、温度结构、温度结构和流结构和流体体-结构的相互耦合的预设分析功能。结构的相互耦合的预设分析功能。前身前身FEM

21、LAB软件，为软件，为MATLAB中的一个子模块，中的一个子模块，所以具有与所以具有与MATLAB天生的无缝连接能力。天生的无缝连接能力。喷墨打印机简介喷墨打印机简介喷墨打印机按工作原理可分为喷墨打印机按工作原理可分为固体喷墨和液体喷墨固体喷墨和液体喷墨两种（现在又以后者更为常见），而液体喷墨方式两种（现在又以后者更为常见），而液体喷墨方式又可分为又可分为气泡式气泡式（canon和和hp）与）与液体压电式液体压电式（epson）。气泡技术（）。气泡技术（bubble jet）是通过加热喷嘴，）是通过加热喷嘴，使墨水产生气泡，喷到打印介质上的。使墨水产生气泡，喷到打印介质上的。液体喷墨打印机按打

22、印头的工作方式可以分为液体喷墨打印机按打印头的工作方式可以分为压电压电喷墨喷墨技术和技术和热喷墨热喷墨技术两大类型。技术两大类型。压电喷墨技术是将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打压电喷墨技术是将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形变的原理，适时地把电压加到它的上面。压电生形变的原理，适时地把电压加到它的上面。压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。质表面形成图案。热喷墨技术是让墨水通过细喷嘴，在强电场的作用热喷墨技术是让墨水通过细喷嘴，在强电场的作

23、用下，将喷头管道中的一部分墨汁气化，形成一个气下，将喷头管道中的一部分墨汁气化，形成一个气泡，并将喷嘴处的墨水顶出喷到输出介质表面，形泡，并将喷嘴处的墨水顶出喷到输出介质表面，形成图案或字符。所以这种喷墨打印机有时又被成图案或字符。所以这种喷墨打印机有时又被称为称为气泡打印机气泡打印机。喷头工艺比较成熟成本也很低廉，但。喷头工艺比较成熟成本也很低廉，但是效果相对前者而言较差。是效果相对前者而言较差。动画动画动画动画思考题1.MEMSMEMS的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述MEMSMEMS的设计方的设计方的设计方的设计方法及特点法及

24、特点法及特点法及特点2.工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。？试举例说明。？试举例说明。？试举例说明。3.在在在在MEMSMEMS产品中如何应用尺度效应进行设计？其根产品中如何应用尺度效应进行设计？其根产品中如何应用尺度效应进行设计？其根产品中如何应用尺度效应进行设计？其根据是什么？对于一阶尺度，如表面据是什么？对于一阶尺度，如表面据是什么？对于一阶尺度，如表面据是什么？对于一阶尺度，如表面体积尺度变化体积尺度变化体积尺度变化体积尺度变化规律

25、是什么？规律是什么？规律是什么？规律是什么？4.什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？5.简述如何应用简述如何应用简述如何应用简述如何应用ANASYSANASYS和和和和COMSOLCOMSOL软件进行软件进行软件进行软件进行MEMSMEMS设计。设计。设计。设计。6.MEMSMEMS中如何应用中如何应用中如何应用中如何应用CADCAD技术。技术。技术。技术。作业1.阅读阅读阅读阅读Richard Richard FeymanFeyman的的的的There is plenty of room Th

26、ere is plenty of room at the bottomat the bottom和和和和Infinitesimal machineryInfinitesimal machinery，列表，列表，列表，列表给出他的哪些预言目前已经实现，哪些尚未实给出他的哪些预言目前已经实现，哪些尚未实给出他的哪些预言目前已经实现，哪些尚未实给出他的哪些预言目前已经实现，哪些尚未实现。现。现。现。2.找出找出找出找出MEMSMEMS领域领域领域领域2 2个最重要的国际会议和水平最个最重要的国际会议和水平最个最重要的国际会议和水平最个最重要的国际会议和水平最高的国际期刊，并简单描述所做选择的原因。高的国际期刊，并简单描述所做选择的原因。高的国际期刊，并简单描述所做选择的原因。高的国际期刊，并简单描述所做选择的原因。