Simulação e Modelamento Comportamental de Sistemas

Microeletromecânicos (PSI 5109)

Docente: Gustavo Rehder

1o Perido – 2013

http://gnmd.webgrupos.com.br/ensino.php

Design de MEMS

3 focos:

– Demonstrador de tecnologia

– Ferramenta de pesquisa

– Produto comercial

Microfone Digital

Acelerômetro

Mercado, Impacto Concorrência, Tecnologia, Fabricação

Sandia

Cantilevers

Tipos de Designs

• Orientado pelo mercado → necessidade conhecida → busca por dispositivo e tecnologia

• Orientado pela tecnologia → tecnologia desenvolvida → busca por aplicação

• Oportunista → oportunidade de mercado com nova tecnologia

→ →

Níveis de Modelamento

Sistema

Dispositivo

Física

Processo

Diagrama de blocos e/ou elementos

discretos

Comportamento dinâmico do

sistema

Macromodelos ou modelos de ordem

reduzida

Essência do comportamento

físico

Analítico ou

Numérico

Comportamento de dispositivos

reais em 3D

Máscaras e etapas

Geometria, propriedades de

materiais

Modelamento nos Diversos Níveis

Simulação 3D por Elementos Finitos

Macromodelo do Dispositivo

Simulação do sistema Resultados

Modelamento de Sistema

Vantagens

–Simulação rápida

–Ajuste fácil de parâmetros

–Simulação do sistema completo (circuito de controle, sensoriamento)

–Ferramentas de simulação (Monte Carlo, sensibilidade)

Modelo de ordem reduzida (Macromodelo) determinado analitica- ou empiricamente

Simulink Coventor

Macromodelo

Método de Simulação Tempo de Simulação

FEM/BEM 682 elementos 2.5 horas

FEM/BEM 1176 elementos 8 horas

Modelo de Sistema < 2 segundos

Exemplo CoventorWare

FEM

Análise Modal

Criação do Macromodelo

Importar modelo para simulação de

sistema

ANSYS

Simulação Física Analítica ou Numérica ?

• Vantagens – Cálculo direto e rápido

– “insight” do comportamento da estrutura

• Desvantagens – Estruturas simples com

geometrias conhecidas

• Cantilevers, Pontes, Membranas

– Resultados aproximados

• Vantagens – Resultado preciso

– Geometrias complexas

– Interação multi-domínio

• Desvantagens – softwares caros

– Longo tempo de simulação

Simulação Analítica

Vetor de deslocamento/deformação Vetor de força

Compliance Matrix

Simulação Numérica

•ANSYS Multiphysics

•Comsol

•CoventorWare

•IntelliSuite

Simulação do Processo CoventorWare

Simulação do Processo

Estrutura Inicial Depois de difusão

Depois de deposição Depois de corrosão

Estudo de Caso: Simulação Comportamental de Switch RF MEMS

Objetivo: Analisar o comportamento em baixa frequência (atuação Eletrostática) de um switch RF MEMS comercial (Teravicta) e relacioná-lo com seu comportamento RF

MEMS Switch

Car

ga

Det

eto

r

RF

Det

eto

r

Peda d

e Inserç

ão (

dB

)

Vouton/Vinon

Voutoff

Envelope

Vouton

Paramêtros S Correlação Sistema de Teste

Isolation Prediction

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency (GHz)

S12 o

ff (

dB

)

Medida

Predição 0212 ZCS open

Medida - Correlação Predição Comparação

Estudo de Caso: Modelo Comportamental

Modelo Eletromecânico

Acionamento (Baixa Frequência)

Modelo RF Sinal RF

(Alta Frequência)

Sinal RF Modulado

Position

Equação de Acoplamento Eletromecânico

Agilent ADS

Modelo da Estrutura mecânica

Modelo Eletromecânico

Tensão de Contato

Modelo RF

Fréquence Temps de Simulation

100 MHz 111 s

1 GHz 1473 s

Posição Capacitor Variável

Modelo RF

Simulação Parâmetros S

Simulação Monte Carlo -

Correlação alta e baixa frequência