《基于COMSOL MULTIPHYSICS 的MEMS建模及应用》

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基于COMSOL MULTIPHYSICS 的MEMS 建模及应用

术语MEMS是Micro Electro Mechanical Systems 的缩写。在本书中有以下含义：

Micro 表示此装置十分微小，是微米级或更小；

Electro 表示与电子有关；

Mechanical 表示此系统执行某种机械运动；

System 表示所有这些特征被组合封装为一个系统。

MEMS 技术所包含的内容很庞大，正如Sandia 国家实验室

（RL）所定义的那样，MEMS 是自从30 多年前由集成电路（IC）

引发的硅革命的下一个辉煌阶段，而IC 事实上已经改变了我

们生活的方方面面。经过30 多年来的发展，IC 产业的特点

就是可以集成到单个硅片上的晶体管的数量呈现指数级增

长，由此导致设备性能的持续增强。

随着时间的过去，小巧而高性能，但价格不贵的IC 已经

代替了庞大而昂贵的复杂系统。当微电子电路功能显著增强

的时候，在很大的程度上，这种增强受限于芯片的处理能力。

我们相信硅革命的下一步将不只是把更多的晶体管集成到硅

片上，而比这更重要的是我们认为接下来的30 年，硅革命的特点将是把各种新型功能组合集成到芯片中，这种结构将可以使芯片不仅有“思想”、“行为”和“沟通”的能力。这就是MEMS 实现的目标。

MEMS 新技术开拓了现有的微电子学架构，可以制造微米级的复杂机械。此类设备广泛应用于商业和工业系统中。我们知道，像集成硅压力传感器、加速度计和运动测量仪等这些组件已经在汽车和其它工业中应用多年了。基于微流体学的研究活动正在改变医学诊断的方法，比如DNA 分析，而且这些研究工作正在刺激商业产品的成功开发。

MEMS 一般由微小的机电组件制造，大多数的MEMS 设备涉及多重物理学领域（一种研究分支，称为多重物理学Multiphysics）,但有些工程师不这样认为。至少，MEMS 涉及电子学和物理学。一般来讲，电和机械单元通过热和电气化效应相关联，因此应在系统中增加第三种或第四种物力现象。由于MEMS 设备具有多物理学特点，所以系统得设计者应有很强的理解能力和广泛的多重物理学分支学科的知识。因为某些微尺度效应是全新的，或者其行为与宏观尺度夏相比有很大的不同，工程师们需要新的系统设计理念，MEMS 不同于设计宏观尺度下的设备，把设计分成许多部分，这样一个工程师可以完全研究机械部分，而别人则专注于其他，例如电子或热方面。而MEMS 工程师是真正的系统设计时，需要同时处理多种物理现象。而这些正是COMSOL Multiphysics 可以做到的。

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目 录

1 基本建模过程

1.1 模型向导………………………………………………………1

1.2 选项与设置……………………………………………………2

1.3 绘制几何图……………………………………………………2

1.4 设置物理性质…………………………………………………3

1.5 耦合应用模式…………………………………………………3

1.6 划分网格………………………………………………………3

1.7 求解模型………………………………………………………5

1.8 后处理分析结果………………………………………………6 2 MEMS 受激模型

2.1 悬臂梁模型……………………………………………………8

2.1.1 概述………………………………………………………8

2.1.2 模型定义…………………………………………………8

2.1.3 求解结果…………………………………………………9

2.1.4 应用COMSOLMultiphysics 建型………………………10

2.1.5 用户图形界面建模………………………………………10

2.2 梳状驱动器模型（CombDrive）……………………………15

2.2.1 概述………………………………………………………15

2.2.2 模型定义…………………………………………………16

2.2.3 应用COMSOLMultiphysics 建模………………………17

2.2.4 结果与分析………………………………………………17

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2.2.5 用户图形界面建模………………………………………19

2.3 电容性3D 梳状驱动器模型（3DCombDrive）……………25

2.3.1 概述………………………………………………………25

2.3.2 有关理论…………………………………………………26

2.3.3 结果与分析………………………………………………26

2.3.4 应用COMSOLMultiphysics 建模………………………27

2.3.5 用户图形界面建模………………………………………27

2.4 微电阻梁模型（MicroresistorBeam）……………………33

2.4.1 概述………………………………………………………33

2.4.2 结果与分析………………………………………………33

2.4.3 应用COMSOLMultiphysics 建模………………………34

2.4.4 用户图形界面建模………………………………………34

2.5 预应力微型镜模型……………………………………………42

2.5.1 概述………………………………………………………42

2.5.2 模型定义…………………………………………………43

2.5.3 结果与分析………………………………………………43

2.5.4 用户图形界面建模………………………………………44

2.6 薄膜共振的残余应力模型……………………………………51

2.6.1 概述………………………………………………………51

2.6.2 模型定义…………………………………………………52

2.6.3 结果与分析………………………………………………53

2.6.4 用户图形界面建模（2D，StraightCantilevers）…53

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2.6.5 用户图形界面建模（2D，FoldrdCantilevers）……57

2.6.6 用户图形界面建模（3D，StraightCantilevers）…62

2.6.7 用户图形界面建模（3D，FoldrdCantilevers）……67

2.7 热??机作用的微型阀模型…………………………………72

2.7.1 模型定义…………………………………………………72

2.7.2 应用COMSOLMultiphysics 建模………………………73

2.7.3 结果与分析………………………………………………74

2.7.4 用户图形界面建模（2D）………………………………75

2.7.5 用户图形界面建模（3D）………………………………81 3 MEMS 传感器模型

3.1 挤压气膜阻尼式加速度传感器模型…………………………89

3.1.1 概述………………………………………………………89

3.1.2 模型定义…………………………………………………90

3.1.3 结果与分析………………………………………………91

3.1.4 用户图形界面建模（2D）………………………………92

3.1.5 用户图形界面建模（3D）………………………………95

3.2 电容性压力传感器模型………………………………………99

3.2.1 概述………………………………………………………99

3.2.2 模型定义…………………………………………………100

3.2.3 结果与分析………………………………………………102

3.2.4 应用COMSOLMultiphysics 建模……… …… 此处隐藏：1671字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……