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CoventorWare

时间:2021-10-15

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CoventorWare+



CoventorWare是包括前后处理器的场求解器套件,该套件具有很多针对MEMS的特有功能,对于仿真MEMS及其他微制造器件来说,该工具比起通用有限元工具可作为首选。

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OVERVIEW 

产品概述

CoventorWare是一套集成的设计和仿真软件,具有精度、容量和速度,以解决现实世界的MEMS设计。该套件具有许多MEMS特有的功能,用于建模和模拟各种MEMS设备,包括惯性传感器(加速度计和陀螺)、麦克风、谐振器和执行器。

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该软件的现场求解器可以对各种mems特定的多物理模型进行建模,如静电学、耦合电力学、压电、压阻和阻尼效应。无论是探索设计概念还是执行设备行为的详细验证,CoventorWare的用户都受益于我们广泛的MEMS模拟经验和建模增强。CoventorWare是MEMS业界公认的多物理MEMS模拟的最佳解决方案,并为MEMS模拟精度、容量和速度设定标准。


BENEFITS

核心优势

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CORE FRATURES

核心特点

1.优化的MEMS结构前处理

CoventorWare具有很多MEMS-specific功能,可方便建立有效的仿真模型。3D模型可直接通过二维版图建立,也可从别的工具(包括MEMS+)导入,可轻易通过版图分割三维实体模型,以便在高应力区域精分网格。MEMS器件作为典型的高深宽比结构,为有效的对其划分网格,应采用hexagonal elements而不是tetrahedral elements。CoventorWare包括选择网格算法生成六面体主导网格,此种网格为MEMS结构最优网格。

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MEMS的制造过程有很多种。制造过程和掩模(2D布局)共同定义和约束了器件结构。因此,很自然地,MEMS设计入口应该模拟实际的流动。我们的客户告诉我们,CoventorWare提供了最直观、最快的方式来生成他们的MEMS设计的3D模型。

CoventorWare的前端设计入口功能与现场求解器套件集成良好,但也可以作为第三方有限元分析工具(如Ansys或COMSOL®)的独立前端使用。过程驱动的设计输入,CoventorWare有许多mems特定的特性,使其易于准备有效的仿真模型。3D模型可以直接从布局或导入其他工具,包括MEMS+。

CoventorWare前端包括:

  • 一个材料属性数据库,预填充常用MEMS材料

  • 一个工艺编辑器,用于提供制造工艺的几何描述

  • 一个功能齐全的分层布局编辑器,具有mems特有的功能,如支持真实曲线

  • 一个用于查看3D模型并为分析做准备的预处理器

  • 2D和3D导入/导出到广泛使用的格式,如GDS2, DXF, SAT, IGES和STEP

  • 可选网格生成和导出到Ansys®

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2.网格优化自动啮合

为了有效地网格化MEMS典型的高纵横比结构,必须使用六边形(六边形)单元而不是四面体单元。CoventorWare包括一种网格划分算法,用于生成MEMS结构的最优六边形主导网格。

高质量的网格

MEMS器件具有典型的特性,如薄层、静电梳状驱动器、蚀刻孔阵列和侧壁角度,这对通用的自动网格生成构成了重大挑战。

有效的网格划分这种几何形状是实现精确的模拟与实际的解决时间的关键。Coventor花了数年时间开发和改进其mems特定器件和封装几何形状的自动生成算法。

CoventorWare包括5个自动网格生成器,每个都有几个算法变体:

  • 挤压砖

  • 曼哈顿的砖

  • 映射的砖

  • 四面体

  • 表面的三角形

这些网格生成器与CoventorWare的预处理器集成在一起,提供了合理的自动默认值,同时允许用户指定导致最优网格的局部细化。

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3.World-Class机电耦合分析

CoventorWare在仿真静电场电容、静电力、非线性、诸如Pull-in、Pull-out、spring softening等机电耦合效应方面,因绝无仅有的精确性和效率受到广泛赞誉。别的有限元工具需要对移动不见周围的空间gap划分网格,这种方法在表面接触时会伴随网格重生及鲁棒性问题,而且平行板电容的气隙网格单元,忽略了静电场的边缘场效应,导致求解结果欠准确。CoventorWare采用混合的有限元/边界元(FEM/BEM)算法,可以精确快速地进行机电耦合分析。

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BEM/FEM混合机电耦合

CoventorWare被广泛认为可以精确模拟静电电容和力,以及非线性、耦合的机电效应,如拉入、提离和静电弹簧软化。CoventorWare使用了一种混合的有限元/边界元(FEM/BEM)方法,避免了对精度和效率的折衷。

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大多数商业上成功的MEMS设备依赖于静电场和运动机械部件之间的耦合作为其工作原理,无论是用于传感、驱动还是传感器。必须以极高的精度模拟这些静电场,以便准确地预测导出的量,如静电力、拉入/提离电压和静电弹簧软化。CoventorWare以其无与伦比的精度和效率在MEMS行业中广泛应用于模拟静电和耦合机电。

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图示:带有两个电极的悬臂梁,在其他通用有限元分析工具与CoventorWare中显示所需的网格。
注意:CoventorWare并不需要将悬臂周围的“空气”网格化。

其他FEA工具提出了啮合要求,显著地降低了精度和速度:移动部件周围的截短空气区域必须用体积单元填充,网格必须随着设备移动而变形或重新生成,或者空气间隙必须用忽略静电边缘场的特殊静电单元填充。Coventor的混合BEM/FEM方法避免了这些折衷。

CoventorWare的混合BEM/FEM方法所需要的小得多的网格,通过简化模型准备和减少必须求解的自由度,大大节省了时间。更重要的是,边界元法是一种更精确的静电模拟方法。它不需要截断离器件有限距离的静电场或忽略边缘场效应。

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图例:CoventorWare将静力学的边界元方法(BEM)与力学的有限元方法(FEM)耦合在一起,充分考虑了静电边缘效应,同时避免了与纯有限元方法相关的近似和更大的网格。

4.阻尼机制

无论是模拟加速度计的瞬态响应,还是估计谐振器的Q因子,正确建模阻尼都是至关重要的。使用CoventorWare,可以模拟能量损失机制并准确预测阻尼系数。对MEMS设计的全面分析需要模拟能量损失机制,如气体阻尼、热弹性阻尼和锚损。无论是模拟加速度计的瞬态响应还是估计谐振腔的Q因子,正确地获得阻尼都是至关重要的。MEMS设计人员传统上依靠简单的解析公式或实验数据来估计阻尼系数。使用CoventorWare,可以模拟能量损失机制并准确预测阻尼系数。

气体阻尼

移动的MEMS设备通过运动将能量传递给周围的空气或气体。由此产生的“气体阻尼”在加速度计、麦克风、显示镜和开关等设备中起着至关重要的作用,并有助于提高信噪比。虽然理论上可以用通用的流体动力学场求解器来模拟气体阻尼,但这种蛮力方法通常不实用。CoventorWare的DampingMM模块包括专门的模型和求解器,可以单独使用或组合使用,以准确和有效地模拟气体阻尼。

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幻灯片阻尼:在平行于间隙运动的平行表面之间的剪切流体薄膜的理论模型。解是封闭形式的。

压缩膜阻尼(雷诺流):对于给定的输入几何图形,压缩膜求解器使用线性化雷诺方程的有限元表示,来计算用户定义的频率范围内的阻尼和弹簧力。典型的解决方案是在低频时由阻尼主导,在低频时,大多数力响应是由于流体被挤出孔和边缘的粘性效应。另一方面,在高频率下,运动速度太快,流体无法流出,而反作用力是一种类似于挤压气球的弹簧力。在复杂的几何区域,包括边缘和孔洞,求解器采用流动阻力模型,从广泛的模拟使用完整的Navier-Stokes方程发展而来。求解器还会自动调整高克努森数效应,并考虑具有模态变形位移的系统(如梁和膜)的模态形状。

一般运动(定常斯托克斯流动):这是一个求解流体阻尼的方法,由于无约束几何物体的一般运动。数值模型采用Stokes方程(Navier-Stokes的低雷诺数导数)的积分表示形式。三维解是通过在所有零件的表面上应用边界元来计算的,并使用快速多极算法来加速求解。

锚损失

MEMS设备,如陀螺仪和谐振器,依靠连续振动来运行,通过其锚点损失能量,通常被称为锚点损失、锚点阻尼、支撑损失、夹紧损失或连接损失。事实上,锚损可能是封装在高真空中气体阻尼可以忽略不计的器件的主要能量损失机制。CoventorWare的机械求解器包括一个“安静”边界条件,消除了弹性波对衬底边界的反射,可以用来预测通过锚传递到衬底的弹性能量。

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热弹性阻尼

振动结构在材料交替压缩和拉伸时产生热量。这种热量的消散被称为热弹性阻尼(TED)。对于依赖体声模式运行的密封封装MEMS, TED可能与锚损竞争,成为主要的能量损失机制。TED可以通过在振动装置中仔细设计和放置穿孔来减少,但这样的设计只能借助精确的TED模拟来完成。

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示例:模拟由于TED产生的热场

5.压电电阻(PZR)的PZR传感器

CoventorWare提供了一种独特的方法来模拟压阻(PZR)传感器,利用压阻效应对传感器输出的形状变化的优势。应力场使用CoventorWare的机械求解器预先计算,并映射到压电传感器的几何形状上。

简单的PZR传感器仿真

许多用于机械信号的固态传感器都基于压阻效应,即压阻材料在机械应力作用下电阻率的变化被用来测量物理量,如压力、力和加速度。

CoventorWare提供了一种独特的方法来模拟压阻(PZR)传感器,利用压阻效应对传感器输出的形状变化的优势。应力场使用CoventorWare的机械求解器预先计算,并映射到压电传感器的几何形状上。这种方法可以实现更有效的网格划分,并且可以在应力场中更新压电传感器的位置和方向,而无需重新进行网格划分或再次进行模拟。

CoventorWare的MemPZR模块然后使用预先计算的应力场和用户指定的电学和压阻系数来计算电场(以及由此产生的电流变化),因为它们受到压力和温度的影响。可以包含独特的二阶压阻系数,以捕捉非线性压阻行为,这在某些类别的压力传感器是重要的。

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图示:显示了膜片在施加压力下的变形,并在膜片上绘制了应力场图和砖网格。为了清晰度,图中没有显示高掺杂轨道和薄膜钝化层(如果需要,可以包括这些)。

6.致动器和测辐射热计的电热机械物理

CoventorWare是设计微辐射热计的理想环境,为了模拟传感器的完整运行,需要分析多个耦合的物理域,包括热、机械和电域。它提供了一个完全耦合的热电过程来分析这类问题,并采用了非常适合模拟这类器件常见的薄膜的有限元。

解决模拟微辐射热计的复杂数值挑战

CoventorWare提供了一个完全耦合的电热-机械求解器,采用有限元有效地模拟在该应用中使用的多材料复合薄膜。

多耦合物理域

模拟MEMS微测辐射热计的完整运行需要分析多个耦合物理域,包括热、机械和电行为域。

Microfabricated复合组件

MEMS微测辐射热计通常由多种材料组成,而这些材料的材料特性截然不同。材料的特性包括从电导体到电介质,从绝缘体到热导体,以及具有不同热膨胀系数和先进残余应力分布的材料。

高纵横比结构

层压薄膜通过精心设计的悬浮液附着在多种材料的共形沉积锚点上。

多个模拟域

为了准确地描述微辐射热计的特性,稳态、频率和时域模拟都是必需的。

CoventorWare用于电热机械分析

将CoventorWare的布局和过程驱动的方法与其多功能求解器相结合,可以满足微辐射热计设计的所有要求,实现在单一、统一的环境中进行快速设计探索。CoventorWare中模拟的基本设计特性包括热导G,时间常数τ,总热容C,电阻R,电压-温度关系V-T,电流-电压(I-V)曲线,以及完整传感器对入射辐射应用的操作时间响应。

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7.位移应力与动力分析的MEMS力学

在MEMS制造过程中,沉积和刻蚀过程中的热循环会在沉积层中产生应力。CoventorWare使MEMS设计人员能够通过建模各向同性、各向异性和包括共形沉积在内的复杂几何形状的应力梯度来预测残余应力的3D影响。

微加工残余应力建模

CoventorWare专注于MEMS设计考虑,提供了独特的能力来模拟由微制造引起的残余应力

MEMS结构中的残余应力可以表现为一般的各向异性或各向同性预应力、层合层CTE的差异以及多复合结构中不同的应力梯度。残余应力可能导致偏离预期的设备响应,结构变形,甚至是由于总体屈曲导致的设备失效。CoventorWare可以用来为MEMS设计中的这个关键组件建模。CoventorWare能够代表一系列残余应力配置,能够准确预测静态和动态设备响应。

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该图形显示了残余应力在CoventorWare应用模型预测的静态变形和动态响应

高级预应力条件建模

与宏观尺度的应用不同,大多数MEMS结构的薄膜性质要求精确分辨由制造引起的残余应力松弛引起的变形。

再加上CoventorMP在MEMS应用中固有的大纵横比特性(如保形沉积)建模方面的独特能力,CoventorWare提供了高级预应力条件的精确建模。

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该图展示了施加预应力的应力xx矢量图,包括通过具有保形沉积特征的复合锚结构的梯度剖面

8.耦合的物理声谐振器或传感和驱动

CoventorWare将压电和机械物理结合在一起,可以准确预测设备的频率响应,如声波谐振器,或采用压电物理用于传感和驱动的设备,如能量收割机。

声谐振器

第一个成功的射频滤波器是表面声波(SAW)滤波器,其次是体声波(BAW或FBAR)技术,以满足1ghz以上SAW器件性能下降的需求1。最近,体模谐振器在平面振动,以允许在一个基片上的多频滤波器变得越来越流行。这些面内体模谐振器有各种各样的名字,如轮廓模谐振器(CMR)和横向振动谐振器(LVR)。

CoventorWare提供独特的功能,帮助声学谐振器设计师:

  • 使用FastPZE求解器,以前所未有的速度模拟3D模型的频率响应,精确捕捉主要共振和马刺。

  • 自动提取设计指标,如BVD参数,机电耦合,串并联共振。自动多端口分析和s参数导出到Touchstone格式。

  • 有效的网格功能,非曼哈顿设计包含任意多边形或曲线边。对于薄膜声学结构,避免四面体网格所需要的大量网格单元是至关重要的。

  • 谐振器设计的其他方面的建模,如频率热系数(TCF),热弹性阻尼(TED),和锚损。

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能量采集器和PZE执行器

CoventorWare还可以用于其他利用PZE物理的传感器建模,例如用于驱动微镜的Energy Harvesters或PZE促动器。这里可以模拟设备对静态和动态负载的响应,以预测产生的电荷和电压以及位移和应力。后者可能是重要的,例如,当设备由于加速度冲击过载。

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显示了模拟的PZE能量采集器在振动加速度载荷下开路电位和位移的三维等值线图

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