隧道式硅微加速度計的設(shè)計與仿真.doc

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平時上課出勤及表現(xiàn)（20%） 實(shí)驗(yàn)課出勤/實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查/實(shí)驗(yàn)報告/期中測試（30%） 課程結(jié)業(yè)試題 理論/設(shè)計/總結(jié)報告 （50%） 課程最終成績 上面表格為該課程最終成績記入方法。 2013/2014學(xué)年 第2學(xué)期 《MEMS CAD》課程結(jié)業(yè)試題 學(xué) 院： 班級及學(xué)號： 姓 名： 本結(jié)業(yè)試題包括： 一、理論部分； 二、綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)部分； 三、本課程主要內(nèi)容總結(jié)報告。 理論試題部分 （40分） 綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)仿真部分 （40分） 課程總結(jié)報告 （20分） 總分 提交截止時間：2014年5月9日中午12：00點(diǎn)。 擬題教師：譚秋林 E-mail: tanqiulin@nuc.edu.cn 2014-4-10 一、理論部分 1、按您的理解，請闡述運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行分析求解問題的基本步驟和思路。結(jié)合本專業(yè)，談?wù)勂湓谒鶎W(xué)專業(yè)中的應(yīng)用。 （10分） 2、分別闡述INTELLISUITE和 L-EDIT軟件在微電子學(xué)專業(yè)中的作用和能完成的任務(wù)。說明用INTELLISUITE軟件分析仿真工程問題時的基本步驟。 （12分） 3、請闡述用完全法（Full）進(jìn)行多步載荷下的工程問題的求解基本思路與方法。（8分） 4、按您的理解，請預(yù)測國內(nèi)以及歐洲等發(fā)達(dá)國家在未來十年后MEMS CAD技術(shù)的發(fā)展情況，目前中國與歐洲等發(fā)達(dá)國家存在的差距和需解決的技術(shù)瓶頸問題。 （10分） 二、綜合性設(shè)計實(shí)驗(yàn)：隧道式硅微加速度計的設(shè)計與仿真 圖1 加速度計的尺寸結(jié)構(gòu)圖 圖2 加速度計結(jié)構(gòu)頂視圖 題意：圖為隧道電流式硅微加速度計的結(jié)構(gòu)尺寸外型圖，設(shè)計建立模型并求解。 該隧道電流式加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要有：質(zhì)量塊邊長L，質(zhì)量塊厚度h，梁寬w，梁長Ld，梁厚d，打折梁長L0。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的取值受到的主要限制有： (1)現(xiàn)有硅制造工藝水平； (2)材料的鋼度、強(qiáng)度； (3)加速度計量程。 初始尺寸： （單位：um） 質(zhì)量塊：正方形邊長a=980、厚度c=90 懸臂梁：梁長L=1050、梁寬w=20、高d=25 打折梁長：L1=50，支撐柱高50(為了方便觀測，值取的較大)，底座高150 求解： 1）建立隧道電流式加速度計模型及進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分； （10分） 2）對模型加載邊界條件全約束和質(zhì)量塊150g的加速度，然后進(jìn)行ANSYS求解分析，查看結(jié)構(gòu)各部分的受力狀況； （5分） 3）求解六階模態(tài)，并在word文檔中保存其前六階模態(tài)云圖； （5分） 4）采用完全法對加速度傳感器模型進(jìn)行瞬態(tài)分析。在結(jié)構(gòu)敏感方向上（Z方向）加載一個持續(xù)時間為25μs的沖擊加速度，值為200g。將載荷分為50個子步，畫出其隧尖的最大位移曲線。（10分） 5）用INTELLISUITE軟件進(jìn)行簡單的工藝設(shè)計與仿真。 （10分） 三、請您針對本課程主要內(nèi)容擬寫總結(jié)報告，報告的第一部分為本課程的主要內(nèi)容總結(jié)，第二部分請您談?wù)勀銓Ρ菊n程學(xué)習(xí)的認(rèn)識與體會，并舉例微電子研究中的一些具體應(yīng)用。 本題要求圖片不能太大，該題總頁數(shù)不能超過10頁。 （20分） 一、理論部分 1、按您的理解，請闡述運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行分析求解問題的基本步驟和思路。結(jié)合本專業(yè)，談?wù)勂湓谒鶎W(xué)專業(yè)中的應(yīng)用（10分） 答：(A)在具體問題中運(yùn)用ANSYS進(jìn)行分析求解： 第一步．首先對問題描述的思考分析，大致確定模型的框架，想清楚如何建立模型，怎么建立模型，確定模型建立的方法，建模方法有自底向上和自頂向下兩種； 第二步．在想好模型后，運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆椒?，建立?shí)體模型，在模型建立前應(yīng)對具體模型采用合適的方法，這樣有助于在建模過程中減少不必要的時間； 第三步．模型建立后對模型進(jìn)行網(wǎng)格的化分，建立有限元模型。其中網(wǎng)格劃分有自由式網(wǎng)格劃分和映射式網(wǎng)格劃分兩種。對具體模型恰當(dāng)選取網(wǎng)格劃分方法； 第四步．進(jìn)行對有限元模型行求解分析，首先對模型施加約束與載荷條件，然后求解分析，其中求解分析包括靜力學(xué)分析，模態(tài)分析以及瞬態(tài)分析等； 第五步．最后進(jìn)行后處理，獲得求解分析結(jié)果，并對其進(jìn)行觀察與分析。 (B) ANSYS在微電子學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用： 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是一門新興的技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，近些年來MEMS越來越受到各國的重視。MEMS 設(shè)計必須保證當(dāng)載荷和溫度在大范圍內(nèi)變化，能經(jīng)受劇烈的沖擊和震動，器件不發(fā)生損壞，因此對MEMS設(shè)計提出了高要求，為使這種體積纖小、結(jié)構(gòu)精巧的微機(jī)電器件能夠精確、可靠地工作，以適應(yīng)惡劣環(huán)境，MEMS 設(shè)計者在設(shè)計中普遍采用FEA 方法，借助軟件對微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)力、變形、自振、熱損失、流體壓差與速度、電阻電導(dǎo)、電磁場干擾等的單場或多場耦合分析，評估微機(jī)電系統(tǒng)在各種特定環(huán)境與惡劣條件下的可靠性與耐用性。ANSYS 獨(dú)有的分析功能及場路結(jié)合分析法為MEMS設(shè)計者提供了良好的解決方案。ANSYS 具有強(qiáng)大的三維建模能力，而且ANSYS可以對各種物理場進(jìn)行分析，是目前位移能融合結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場、聲學(xué)等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動力分析之外還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動力分析。ANSYS還有后處理功能，來進(jìn)行觀察分析結(jié)果。這對于MEMS的設(shè)計分析和應(yīng)用都有著很大的幫助。 2、分別闡述INTELLISUITE和 L-EDIT軟件在微電子學(xué)專業(yè)中的作用和能完成的任務(wù)。說明用INTELLISUITE軟件分析仿真工程問題時的基本步驟。（16分） 答：INTELLISUITE微電子學(xué)專業(yè)中的作用和能完成的任務(wù) IntelliSuite是由美國IntelliSense公司創(chuàng)造的全球第一個MEMS專業(yè)設(shè)計與模擬仿真軟件。可提供從概念設(shè)計到產(chǎn)品制造MEMS的解決方案。可進(jìn)行多物理量的分析，其模擬和分析模塊使用戶無須進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)即可評估所設(shè)計器件的工藝可行性和工作性能。它的突出特點(diǎn)是將著名的開發(fā)工具與先進(jìn)的流水相結(jié)合，使MEMS產(chǎn)品迅速走向市場。具有多項領(lǐng)先技術(shù)和首要發(fā)明創(chuàng)新。軟件可廣泛運(yùn)用于MEMS各個環(huán)節(jié)，是設(shè)計、分析、模擬仿真?zhèn)鞲衅?、加速度計、激勵器、生物微流體芯片、射頻開關(guān)以及光學(xué)MEMS器件的強(qiáng)大工具。軟件的最新版本已涉及到納米概念，具有碳納米管器件的設(shè)計、模擬仿真的功能。 L-EDIT軟件在微電子學(xué)專業(yè)中的作用和能完成的任務(wù)： L-Edit Pro是Tanner EDA軟件公司所出品的一個IC設(shè)計和驗(yàn)證的高性能軟件系統(tǒng)模塊，具有高效率，交互式等特點(diǎn)，強(qiáng)大而且完善的功能包括從IC設(shè)計到輸出，以及最后的加工服務(wù)，完全可以媲美百萬美元級的IC設(shè)計軟件。它允許生成和修改集成電路掩模版上的幾何圖形。用于MEMS版圖設(shè)計，能完成集成電路設(shè)計、模擬驗(yàn)證、版圖編輯和自動布局布線的任務(wù)，可以分層設(shè)計。同時它也可以模擬工藝過程。 INTELLISUITE軟件分析仿真的步驟： 1）工藝設(shè)計：包括硅片的加工、玻璃片的加工以及鍵合/封裝工藝； 2）工藝仿真：用mask創(chuàng)建掩膜圖形，用IntelliFab進(jìn)行工藝仿真。a.定義一個硅片；b.清洗所定義的硅片；c.在硅片底部淀積一層SiO2；d.再在其上淀積一層光刻膠；e.清洗光刻膠；f.刻蝕SiO2；g.刻蝕硅片；h.清洗所有光刻膠；i.刻蝕掉全部的SiO2。根據(jù)需要可以進(jìn)行各種工藝。 3、請闡述用完全法（Full）進(jìn)行多步載荷下的工程問題的求解基本思路與方法。（6分） 答：一個載荷步是指邊界條件和載荷選項的一次設(shè)置，用戶可對此進(jìn)行一次或多次求解。1）多次求解方法: a.定義第一個載荷步并存盤； b.進(jìn)行求解； c.不要退出求解器，按需要為第二次求解改變載荷步并存盤； d.進(jìn)行求解； e.不要退出求解器，繼續(xù)進(jìn)行步驟3和步驟4直到所有的載荷步完成； f.進(jìn)行后處理 2）載荷步文件方法： 當(dāng)用戶想離開計算機(jī)時，使用此方法求解多重載荷步是很方便的 程序?qū)⒚總€載荷步寫到一個載荷步文件，此文件名為jobname.sxx（sxx 為載荷步號），然后使用一條命令，讀進(jìn)每個載荷步文件并開始求解 a.定義第一個載荷步； b.將邊界條件寫進(jìn)文件Main Menu: Solution >-Load Step Opts- Write LS File (jobname.sxx)…； c.為了進(jìn)行第二次求解按需要改變載荷條件； d.將邊界條件寫到第二個文件； e.利用載荷步文件進(jìn)行求解Main Menu: Solution > -Solve- From LS Files (jobname.sxx) … 4、按您的理解，請預(yù)測國內(nèi)以及歐洲等發(fā)達(dá)國家在未來十年后MEMS CAD技術(shù)的發(fā)展情況，目前中國與歐洲等發(fā)達(dá)國家存在的差距和需解決的技術(shù)瓶頸問題。（8分） 答：國內(nèi)以及歐洲等發(fā)達(dá)國家在未來十年后MEMS CAD技術(shù)的發(fā)展情況: MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是多種學(xué)科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù)，是未來的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。MEMS以其微型化的優(yōu)勢，在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)和軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。在國內(nèi)外市場中MEMS的研究早已經(jīng)成為重點(diǎn)研究的科技方向之一，MEMS器件的設(shè)計需要綜合多學(xué)科理論分析,這大大增加了設(shè)計參數(shù)選擇的難度,常規(guī)分析計算已無法應(yīng)付設(shè)計需求。幸運(yùn)的是當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得CAD技術(shù)在器件設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用,2D和3D計算機(jī)繪圖技術(shù)的發(fā)展使我們能夠?qū)?fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)及版圖進(jìn)行計算機(jī)設(shè)計,有限元技術(shù)的應(yīng)用使得我們可以用精確的計算機(jī)數(shù)值求解方法來分析和預(yù)測器件的性能。對器件工作的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)模擬成為可能。從而使我們能夠?qū)EMS器件結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行計算機(jī)模擬和設(shè)計優(yōu)化。 目前中國與歐洲等發(fā)達(dá)國家存在的差距和需解決的技術(shù)瓶頸問題： 我國MEMS CAD的研究始于20世紀(jì)90年代初，起步并不晚，但相對于發(fā)達(dá)國家而言我們?nèi)允怯胁罹啵饕憩F(xiàn)在設(shè)計能力以及加工水平上，不過這會隨著我國科技的發(fā)展逐漸變小的。當(dāng)今我國國內(nèi)在MEMS CAD這塊與發(fā)達(dá)國家的差別體現(xiàn)在創(chuàng)新思維上，在國內(nèi)院校采用應(yīng)試教育體制導(dǎo)致人才的創(chuàng)新能力趕不上，致使我們在技術(shù)上的難以突破。MEMS CAD技術(shù)先要求的是微米納米級別的尺寸，這就要求我們不僅在軟件上要有自己獨(dú)立的軟件，而不是用外國人研究的軟件，因?yàn)樵谲浖锩娴膮f(xié)議都是外國人定的，這就限制了我們的設(shè)計在國外之后，這在開發(fā)軟件上也是技術(shù)的瓶頸。其次是加工工藝的要求，其實(shí)國內(nèi)的加工工藝還是不錯的，只要是能設(shè)計出來的器件，一般是可以加工出來的。在CAD封裝和測試方面，MEMS和IC最大區(qū)別在于MEMS要與現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生多方面的相互作用，涉及多種能量和物質(zhì)的傳輸和處理，因此比IC要復(fù)雜得多，成為MEMS技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。MEMS的可靠性和應(yīng)用研究也是目前MEMS技術(shù)的難點(diǎn)。可靠性是MEMS器件使用者最關(guān)心的問題之一，尤其是在MEMS應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域時，可靠性尤為突出。粘附、雜質(zhì)玷污以及加工中的殘余應(yīng)力，是目前MEMS中造型機(jī)械結(jié)構(gòu)失效的主要原因。目前各國的科研機(jī)構(gòu)已對這些問題給予了高度的重視,正在努力地解決，并有所突破。 二、綜合性設(shè)計實(shí)驗(yàn)：隧道式硅微加速度計的設(shè)計與仿真 圖1 加速度計的尺寸結(jié)構(gòu)圖 圖2 加速度計結(jié)構(gòu)頂視圖 題意：圖為隧道電流式硅微加速度計的結(jié)構(gòu)尺寸外型圖，設(shè)計建立模型并求解。 該隧道電流式加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要有：質(zhì)量塊邊長L，質(zhì)量塊厚度h，梁寬w，梁長Ld，梁厚d，打折梁長L0。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的取值受到的主要限制有： (1)現(xiàn)有硅制造工藝水平； (2)材料的鋼度、強(qiáng)度； (3)加速度計量程。 初始尺寸： （單位：um） 質(zhì)量塊：正方形邊長a=980、厚度c=90 懸臂梁：梁長L=1050、梁寬w=20、高d=25 打折梁長：L1=50，支撐柱高50(為了方便觀測，值取的較大)，底座高150 求解： 1）建立隧道電流式加速度計模型及進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分； （10分） 2）對模型加載邊界條件全約束和質(zhì)量塊150g的加速度，然后進(jìn)行ANSYS求解分析，查看結(jié)構(gòu)各部分的受力狀況； （5分） 3）求解六階模態(tài)，并在word文檔中保存其前六階模態(tài)云圖； （5分） 4）采用完全法對加速度傳感器模型進(jìn)行瞬態(tài)分析。在結(jié)構(gòu)敏感方向上（Z方向）加載一個持續(xù)時間為25μs的沖擊加速度，值為200g。將載荷分為50個子步，畫出其隧尖的最大位移曲線。（10分） 5）用INTELLISUITE軟件進(jìn)行簡單的工藝設(shè)計與仿真。 （10分） 實(shí)驗(yàn)步驟： 1. 定義工作名、工作標(biāo)題、過濾參數(shù) 工作標(biāo)題：Utility menu > File > Change Title輸入09060242-51-zuoxianhong 2. 選擇單元類型 Main Menu>Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete Structural Solid > brick 20node95 單擊OK 3. 設(shè)置材料屬性 1) 定義材料的彈性模量EX，PRXY Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，彈性模量 EX＝2.0e20，泊松比 PRXY＝0.3 2) 定義材料的密度DENS Main Menu>Preprocessor > Material Props > Material Models>density ，DENS =2.3e3 4. 建立模型（采用自頂向下建模） 1）建立體結(jié)構(gòu)：（單位：um） Main Menu>Preprocessor> Modeling >Create> Volumes >Block>By Dimension坐標(biāo)依次建立為： 坐標(biāo) X1 X2 Y1 Y2 Z1 Z2 質(zhì)量塊 0 980 0 980 0 90 打折梁 960 980 -50 0 65 90 -50 0 0 20 65 90 0 20 980 1030 65 90 980 1030 960 980 65 90 懸臂梁 -70 980 -70 -50 65 90 -70 -50 0 1050 65 90 0 1050 1030 1050 65 90 1030 1050 -70 980 65 90 支撐柱 1030 1050 -70 -50 90 140 -70 -50 -70 -50 90 140 -70 -50 1030 1050 90 140 1030 1050 1030 1050 90 140 底座 -70 1050 -70 1050 140 290 2）建立遂尖： 打開工作平面：WorkPlane>Display Working Plane 移動工作平面：WorkPlane>Align WP with>XYZ locations+>x=0,y=0,z=90 建立遂尖： Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>cone>By Picking WPx=490,WPy=490,Rad=15,Rad=0,Depth=25,點(diǎn)擊OK 關(guān)閉工作平面：WorkPlane>Display Working Plane 5. 粘接所有體 ： Main Menu>Preprocessor > Modeling>Operate > Booleans>Add >Volumes ,Pick All 6. 劃分網(wǎng)絡(luò)：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool 1）將智能網(wǎng)格劃分器（ Smart Sizing ）設(shè)定為 “on” 2)將滑動碼設(shè)置為 “6” 3)確認(rèn)Mesh Tool的各項為: Volumes, Tet, Free 4） MESH—Pick All（如果在網(wǎng)格劃分過程中出現(xiàn)任何信息，拾取 “OK”或 “Close”) 5）關(guān)閉 Mesh Tool結(jié)果如圖 7. 靜力學(xué)分析： 1） 指定分析類型及分析選項 a.Main Menu >Solution >New Analysis>Static b.Main Menu >Solution >Sol’n Controls，單擊標(biāo)簽“Basic”，在Calculate Prestress effects選項前打“√”。打開預(yù)應(yīng)力選項。單擊OK 2） 施加位移約束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,約束底座除上表面外其他五個面的自由度。 3）施加集中力載荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity> Global在ACELZ Global Cartesian Z-comp中輸入-1500點(diǎn)擊OK 4）求解：單擊菜單Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 5）觀察解得的靜力分析結(jié)果，結(jié)果如圖 MainMenu>GeneralPostproc>Read Results>First Set MainMenu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum 8. 進(jìn)行模態(tài)分析： 1） 指定分析選項 ，Main Menu >Solution >Analysis Type >New Analysis>Modal 2） 施加位移約束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,約束底座出上表面之外的五個面的自由度。 3) 分析選型設(shè)定，Main Menu >Solution >Analysis Type >Analysis Options 在彈出對話框中，指定Mode extraction method為Block Lanczos ，并指定No. of modes extract為6,將Expand mode shapes設(shè)置為“YES”,在No. of modes to expand 文本框中輸入6。將Inclprestress effects設(shè)置為“YES”，單擊ok按鈕，將會彈出Block Lanczos Method對話框，指定的值為：Start Freq是0，End Frequency 是999999。單擊ok按鈕 4）進(jìn)行求解 Main Menu>Solution>Current LS 5）觀察解得的模態(tài) a. Main Menu>General Postproc >Read Results >First Set， b. Main Menu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum c.Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set，選第二階模態(tài)。 d.選取菜單路徑Main Menu >General Postproc >Plot Results >Nodal Solu e.選擇 stress>von Mises>OK 圖形窗口中將顯示出第二階模態(tài)振型。 f.對余下的各階模態(tài)重復(fù)步驟c～d，觀察所求解的各階模態(tài)的振型 一階模態(tài)分析圖 二階模態(tài)分析圖 三階模態(tài)分析圖 四階模態(tài)分析圖 五階模態(tài)分析圖 六階模態(tài)分析圖 9. 進(jìn)行瞬態(tài)分析： 1) 從網(wǎng)格劃分開始 2) 指定分析類型及分析選項Main Menu >Solution >New Analysis>Transient點(diǎn)擊OK，在彈出窗口中[TRNOPT]中選擇full點(diǎn)擊OK。 3) 施加位移約束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,約束底座除上表面外其他五個面的自由度 4)定義時間段MainMenu>Solution>load step>Time/Frequenc>Time-Time step 輸入[TIME]=1e-8，KBC選擇Stepped，點(diǎn)擊OK. 5)施加集中力載荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply> Structural >intertia>gravity>gloabe,輸入ACELZ=-2000，點(diǎn)擊OK， 6)求解：單擊菜單Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 7） 重復(fù)第4,5,6步，輸入 [TIME]=5e-6，[DELTIM]=5e-7, 點(diǎn)擊OK，在Z軸方向施 加力為-2000，點(diǎn)擊OK；每間隔0.5e-5us選一個數(shù)值，直到[TIME]=2.5e-5。 8)Main Menu>TimeHist Postpro>define variable，點(diǎn)ADD> Nodal DOF result,點(diǎn)OK,選遂尖，選translation UZ，點(diǎn)OK. 9)Main Menu>TimeHist Postpro>Graph variable在彈出對話框輸入NVAR1=2點(diǎn)擊OK,結(jié)果如圖所示 時間-位移曲線圖 三、請您針對本課程主要內(nèi)容擬寫總結(jié)報告，報告的第一部分為本課程的主要內(nèi)容總結(jié)，第二部分請您談?wù)勀銓Ρ菊n程學(xué)習(xí)的認(rèn)識與體會。（20分） A.MEMS CAD課程的主要內(nèi)容 （一）. MEMS CAD的相關(guān)內(nèi)容概述 MEMS CAD 是什么？ CAD= Computer Aided Design；Computer Augmented Design； MEMS CAD Include：(1) ANSYS (2) INTELLISUITE (3) L-EDIT MEMS 的發(fā)展與前景的介紹，說明MEMS的重要性，由此引出MEMS設(shè)計軟件ANSYS。 （二）．ANSYS軟件 1）ANSYS簡介： ANSYS是一個功能強(qiáng)大、靈活的設(shè)計分析及優(yōu)化，融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可與CAD、CAM軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及交換，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真分析，大大縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本、加快產(chǎn)品開發(fā)。應(yīng)用范圍廣：核工業(yè)、建筑、航天航空、機(jī)械制造、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、船舶、輕工制造、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。適用的操作系統(tǒng)：在Windows、Unix、Linux、Irix、HP-UX中運(yùn)行，從PC機(jī)到大型計算機(jī)均適用，ANSYS文件在它自己所有的產(chǎn)品和工作臺上均兼容。 2）ANSYS的功能： 1．結(jié)構(gòu)分析 a. 靜力分析--用來求解外荷載引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 b.模態(tài)分析--計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. c.諧響應(yīng)分析--確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。 d.瞬態(tài)動力學(xué)分析--確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng)。 2.電磁分析--考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等 3.流體分析--用于確定流體的流動及熱行為 4.熱分析--計算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等 5．耦合場分析--在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中使用流體耦合單元 3）有限元法的基本思想： 有限單元法的基本思想是將物體離散成有限個簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題。物體被離散后，通過對其中各個單元進(jìn)行單元分析，最終得到對整個物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度。 4）Ansys軟件的使用： （1）實(shí)體建模 Ansys軟件中有兩種模型：一種是實(shí)體模型，包括關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體等幾何對象；另一種是有限元模型，包括節(jié)點(diǎn)和單元。 Ansys中的建模方法有兩種：一種是自底向上（首先建立關(guān)鍵點(diǎn)，用這些點(diǎn)建立線、面等。）和自頂向下（首先定義體（或面），然后對這些體或面按一定規(guī)則組合得到最終需要的形狀）兩種。 實(shí)體模型幾何圖形定義之后，可以有邊界決定網(wǎng)絡(luò)，即每一線段分成幾個單元或單元的尺寸是多大。定義了每邊單元數(shù)目或尺寸大小之后，ANSYS程序即能自動產(chǎn)生網(wǎng)格，即自動產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和單元，并同時完成有限元模型。實(shí)體建模還有布爾運(yùn)算、移動和復(fù)制兩種方法，布爾運(yùn)算和移動、復(fù)制都是為了構(gòu)建復(fù)雜的實(shí)體模型。 （2）網(wǎng)格化分 在網(wǎng)格劃分之前需要進(jìn)行單元的屬性設(shè)置。歸納起來，網(wǎng)格劃分生成節(jié)點(diǎn)和單元的過程主要包括以下3個步驟： a. 定義單元類型,材料特性； ANSYS軟件的單元庫提供了100多種單元類型，并按類型分了類，幾乎能解決大部分常見問題，如SOLID96、BEAM3、SHELL3等。在有限元分析過程中，對于不同的問題需要不同特征的單元，單元選擇不當(dāng)，直接影響到計算能否進(jìn)行和結(jié)果的精確度。 實(shí)常數(shù)的設(shè)置是依賴于單元類型的，如BEAM單元的橫截面特性、SHELL單元的厚度設(shè)置等。 定義材料參數(shù)就是輸入進(jìn)行有限元分析的材料本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)分析問題的不同，材料參數(shù)可以是： ①線性或非線性； ②各向同性、正交異性或非彈性； ③不隨溫度變化或隨溫度變化。 b. 定義網(wǎng)格劃分控制； 選擇Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令，打開網(wǎng)格劃分工具對話框，網(wǎng)格劃分控制可以進(jìn)行單元屬性設(shè)置、Smart Size網(wǎng)格劃分控制、單元尺寸設(shè)置、單元形狀控制、網(wǎng)格劃分器選擇、網(wǎng)格劃分優(yōu)化。其中網(wǎng)格劃分尺寸控制是重點(diǎn)內(nèi)容。 網(wǎng)格劃分可分為關(guān)鍵點(diǎn)網(wǎng)格劃分、線網(wǎng)格劃分、面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分。 c.生成網(wǎng)格 網(wǎng)格化分主要分為兩種：自由式網(wǎng)格劃分和映射式網(wǎng)格化分。通過實(shí)驗(yàn)和理論計算，映射式網(wǎng)格化比自由式網(wǎng)格化更接近理論。 （3）施加載荷與求解 在建立有限元模型后就可以對模型施加載荷并進(jìn)行求解。施加載荷是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵一步，可以直接對實(shí)體模型施加載荷，也可對網(wǎng)格劃分之后的有限元模型施加載荷。在ANSYS中對模型施加載荷，可以使用多種方法，而且通過載荷步選項，可以控制求解過程中如何使用載荷。 a.加載： 以特性而言，載荷可分為6大類：自由度約束、力（集中載荷）、表面載荷、體載荷、慣性載荷和耦合場載荷。 ANSYS軟件提供了兩種加載方式，即：將載荷施加于實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線和面）上或有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上。 b.求解 載荷施加完成后即可進(jìn)行有限元的求解。通常有限元求解的結(jié)果為： ①節(jié)點(diǎn)的自由度值——基本解。 ②原始解的導(dǎo)出解——基本解。 Ansys軟件提供了多種求解有限元方程的方法：直接解法、稀疏矩陣法、自動迭代法、條件共軛梯度法等多種方法。 （4)靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析 靜力分析是計算結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷作用下的響應(yīng)。它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受時間變化的載荷時的情況。靜力分析可以可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力的隨時間變化載荷。靜力分析可分為線性靜力分析和非線性靜力分析。 線性靜力分析用于計算那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。 靜力分析中所施加的載荷主要包括：外部施加的作用力或壓力；穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）；位移載荷；溫度載荷。 求解靜力分析的主要步驟為： ① 選擇分析類型Main Menu >Solution >New Analysis>Static ② 施加載荷和邊界條件并求解； ③ 結(jié)果分析和評價。 （5）ANSYS動態(tài)分析 動態(tài)分析用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起重要作用時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的動力學(xué)特性。按照運(yùn)動方程的求解形式的不同，動態(tài)分析可分為3種形式：即模態(tài)分析、瞬時動態(tài)分析和諧波響應(yīng)分析。 a.模態(tài)分析 模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，同時也可以作為其他更詳細(xì)的動態(tài)分析的起點(diǎn)，如瞬態(tài)分析和諧波響應(yīng)分析等。 模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，這些振動特性包括固有頻率、振型、振型參與系數(shù)等。模態(tài)分析假定結(jié)構(gòu)是線性的，任何非線性特性即使定義了也將被忽略。 模態(tài)分析的過程有以下4個步驟組成： ①建模； ②選擇分析類型和分析選項； ③施加邊界條件并求解； ④評價結(jié)果。 b.瞬態(tài)分析 瞬時動態(tài)分析是確定隨時間變化載荷（如爆炸）作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。它需要輸入一個作為時間函數(shù)的體載荷，可以輸出隨時間變化的位移和其他的導(dǎo)出量，如應(yīng)力和應(yīng)變等。瞬態(tài)分析可以應(yīng)用在以下設(shè)計中：承受各種沖擊載荷的結(jié)構(gòu)、承受各種隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)、承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設(shè)備。 瞬態(tài)分析主要由以下幾步組成： ①建模； ②選擇分析類型； ③定義邊界條件和初始條件； ④施加時間歷程載荷并求解； ⑤查看結(jié)果。 c.諧波響應(yīng)分析 為了確保結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受住各種不同頻率的正弦體載荷，探測共振響應(yīng)，并在必要時避免其發(fā)生，就需要進(jìn)行諧波響應(yīng)分析。在ANSYS軟件中諧波響應(yīng)分析主要可采用三種方法進(jìn)行求解計算，即Full（完全法）、Reduced（縮減法）和Mode Superposition（模態(tài)疊加法）。 諧波響應(yīng)分析的基本步驟有： ①建模； ②選擇分析類型及選項； ③施加體載荷并求解； ④查看結(jié)果。 B.對MEMS CAD課程的認(rèn)識與體會 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)心得： 通過在本學(xué)期的ANSYS實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，讓我對ANSYS有了一定的了解，使我初步學(xué)習(xí)并掌握了使用ANSYS的基本方法和基本步驟，清晰地掌握了ANSYS的設(shè)計思路，已經(jīng)能獨(dú)立完成建立模型、進(jìn)行求解和分析等過程。但是在學(xué)習(xí)剛開始時對模型的建立不是很清楚 ，需要借助老師給的步驟。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，對建模的方法有了更深刻的了解，從而從開始不能很好的建立一個模型到熟練運(yùn)用，雖然有了一定建模能力，但是還缺乏一些對專業(yè)的知識的了解，以及圖形的簡單分析，缺乏后續(xù)優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，有了對ANSYS軟件分析問題的初步認(rèn)識，以及該軟件的各部分的作用，但是對具體的后處理還是不怎么清楚，這樣在設(shè)計一個器件的具體運(yùn)用還是以后有待學(xué)習(xí)的。本門實(shí)驗(yàn)課是具有綜合性的實(shí)驗(yàn)，需要將我們將軟件和書本知識結(jié)合，這樣才能將課程學(xué)好，學(xué)懂。 在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的一些問題： ① 在開始學(xué)習(xí)時經(jīng)常弄不清關(guān)鍵點(diǎn)（keypoint）和節(jié)點(diǎn)(node)的意思。關(guān)鍵點(diǎn)不同于節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)往往是為建立一個模型而設(shè)的點(diǎn)，如圓弧的圓心、線段的端點(diǎn)等。 ② 不同模型要求的尺寸也不一樣的，一般模型尺寸單位都是um，因此在建模之前 首先定好單位。在ANSYS軟件中沒有為系統(tǒng)指定的唯一單位，所以我們可根據(jù)自己的習(xí)慣以及所要使用國際單位制或者工程單位制。如果單位不一致會影響到求解分析，導(dǎo)致分析結(jié)果錯誤或者精確度低等問題。 ③ 在模型建立時，常常遇到一些錯誤。在ANSYS中不像其他CAD軟件，錯了有返回后退的功能，因此每做好一步需要進(jìn)行save。在發(fā)現(xiàn)錯誤后，點(diǎn)resume就可以返回到save時的前一步操作。還可通過save as…另存.db文件，錯誤時打開db文件即可回到前操作狀態(tài)。 ④ 對模型材料的設(shè)定：對材料參數(shù)的設(shè)定，其單位應(yīng)與模型單位一致，不一致也同樣會影響到求解分析的結(jié)果。 ⑤ 在進(jìn)行對模型求解分析的時候，還應(yīng)注意對模型正確施加約束條件和載荷分布，注意在模態(tài)分析時應(yīng)使上限頻率設(shè)定大一些，避免上限頻率太低無法求解。