隧道式硅微加速度计的设计及仿真.docx
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隧道式硅微加速度计的设计及仿真
平时上课出勤及表现（20%）
实验课出勤/实验结果检查/实验报告/期中测试（30%）
课程结业试题
理论/设计/总结报告
（50%）
课程最终成绩
上面表格为该课程最终成绩记入方式。
2013/2014学年第2学期
《MEMSCAD》课程毕业试题
学院：
班级及学号：
姓名：
本毕业试题包括：
一、理论部份；
二、综合设计实验部份；
三、本课程主要内容总结报告。
理论试题部分
（40分）
综合设计实验仿真部分
（40分）
课程总结报告
（20分）
总分
提交截止时刻：
2014年5月9日中午12：
00点。
拟题教师：
谭秋林E-mail
2014-4-10
一、理论部份
一、按您的理解，请论述运用ANSYS软件进行分析求解问题的大体步骤和思路。
结合本专业，谈谈其在所学专业中的应用。
（10分）
二、别离论述INTELLISUITE和L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。
说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的大体步骤。
（12分）
3、请论述用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解大体思路与方式。
（8分）
4、按您的理解，请预测国内和欧洲等发达国家在未来十年后MEMSCAD技术的进展情形，目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。
（10分）
二、综合性设计实验：
隧道式硅微加速度计的设计与仿真
图1加速度计的尺寸结构图图2加速度计结构顶视图
题意：
图为隧道电流式硅微加速度计的结构尺寸外型图，设计成立模型并求解。
该隧道电流式加速度计的结构设计参数主要有：
质量块边长L，质量块厚度h，梁宽w，梁长Ld，梁厚d，打折梁长L0。
这些结构设计参数的取值受到的主要限制有：
（1）现有硅制造工艺水平；
（2）材料的钢度、强度；（3）加速度计量程。
初始尺寸：
（单位：
um）
质量块：
正方形边长a=980、厚度c=90悬臂梁：
梁长L=1050、梁宽w=20、高d=25
打折梁长：
L1=50，支撑柱高50（为了方便观测，值取的较大），底座高150
求解：
1）成立隧道电流式加速度计模型及进行合理的网格划分；（10分）
2）对模型加载边界条件全约束和质量块150g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部份的受力状况；（5分）
3）求解六阶模态，并在word文档中保留其前六阶模态云图；（5分）
4）采用完全法对加速度传感器模型进行瞬态分析。
在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时刻为25μs的冲击加速度，值为200g。
将载荷分为50个子步，画出其隧尖的最大位移曲线。
（10分）
5）用INTELLISUITE软件进行简单的工艺设计与仿真。
（10分）
三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部份为本课程的主要内容总结，第二部份请您谈谈你对本课程学习的熟悉与体会，并举例微电子研究中的一些具体应用。
本题要求图片不能太大，该题总页数不能超过10页。
（20分）
一、理论部份
1、按您的理解，请论述运用ANSYS软件进行分析求解问题的大体步骤和思路。
结合本专业，谈谈其在所学专业中的应用（10分）
答：
（A）在具体问题中运用ANSYS进行分析求解：
第一步．第一对问题描述的试探分析，大致肯定模型的框架，想清楚如何成立模型，怎么成立模型，肯定模型成立的方式，建模方式有自底向上和自顶向下两种；
第二步．在想好模型后，运用适当的方式，成立实体模型，在模型成立前应对具体模型采用适合的方式，如此有助于在建模进程中减少没必要要的时刻；
第三步．模型成立后对模型进行网格的化分，成立有限元模型。
其中网格划分有自由式网格划分和映射式网格划分两种。
对具体模型恰被选取网格划分方式；
第四步．进行对有限元模型行求解分析，第一对模型施加约束与载荷条件，然后求解分析，其中求解分析包括静力学分析，模态分析和瞬态分析等；
第五步．最后进行后处置，取得求解分析结果，并对其进行观察与分析。
（B）ANSYS在微电子学专业中的应用：
微机电系统（MEMS）是一门新兴的技术，具有超级广漠的应用前景，近些年来MEMS愈来愈受到各国的重视。
MEMS设计必需保证当载荷和温度在大范围内转变，能经受猛烈的冲击和震动，器件不发生损坏，因此对MEMS设计提出了高要求，为使这种体积纤小、结构精致的微机电器件能够精准、靠得住地工作，以适应恶劣环境，MEMS设计者在设计中普遍采用FEA方式，借助软件对微机电系统的应力、变形、自振、热损失、流体压差与速度、电阻电导、电磁场干扰等的单场或多场耦合分析，评估微机电系统在各类特定环境与恶劣条件下的靠得住性与耐用性。
ANSYS特有的分析功能及场路结合分析法为MEMS设计者提供了良好的解决方案。
ANSYS具有壮大的三维建模能力，而且ANSYS能够对各类物理场进行分析，是目前位移能融合结构、热、电磁、流场、声学等为一体的有限元软件。
除常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外还能够解决高度非线性结构的动力分析。
ANSYS还有后处置功能，来进行观察分析结果。
这对于MEMS的设计分析和应用都有着专门大的帮忙。
2、别离论述INTELLISUITE和L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。
说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的大体步骤。
（16分）
答：
INTELLISUITE微电子学专业中的作用和能完成的任务
IntelliSuite是由美国IntelliSense公司创造的全世界第一个MEMS专业设计与模拟仿真软件。
可提供从概念设计到产品制造MEMS的解决方案。
可进行多物理量的分析，其模拟和分析模块利用户不必进入实际生产即可评估所设计器件的工艺可行性和工作性能。
它的突出特点是将著名的开发工具与先进的流水相结合，使MEMS产品迅速走向市场。
具有多项领先技术和首要发明创新。
软件可普遍运用于MEMS各个环节，是设计、分析、模拟仿真传感器、加速度计、鼓励器、生物微流体芯片、射频开关和光学MEMS器件的壮大工具。
软件的最新版本已涉及到纳米概念，具有碳纳米管器件的设计、模拟仿真的功能。
L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务：
L-EditPro是TannerEDA软件公司所出品的一个IC设计和验证的高性能软件系统模块，具有高效率，交互式等特点，壮大而且完善的功能包括从IC设计到输出，和最后的加工服务，完全能够媲美百万美元级的IC设计软件。
它允许生成和修改集成电路掩模版上的几何图形。
用于MEMS版图设计，能完成集成电路设计、模拟验证、版图编辑和自动布局布线的任务，能够分层设计。
同时它也能够模拟工艺进程。
INTELLISUITE软件分析仿真的步骤：
1）工艺设计：
包括硅片的加工、玻璃片的加工和键合/封装工艺；
2）工艺仿真：
用mask创建掩膜图形，用IntelliFab进行工艺仿真。
a.概念一个硅片；b.清洗所概念的硅片；c.在硅片底部淀积一层SiO2；d.再在其上淀积一层光刻胶；e.清洗光刻胶；f.刻蚀SiO2；g.刻蚀硅片；h.清洗所有光刻胶；i.刻蚀掉全数的SiO2。
按照需要能够进行各类工艺。
3、请论述用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解大体思路与方式。
（6分）
答：
一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解。
1）多次求解方式:
a.概念第一个载荷步并存盘；
b.进行求解；
c.不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘；
d.进行求解；
e.不要退出求解器，继续进行步骤3和步骤4直到所有的载荷步完成；
f.进行后处置
2）载荷步文件方式：
当用户想离开运算机时，利用此方式求解多重载荷步是很方便的
程序将每一个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为（sxx为载荷步号），然后利用一条命令，读进每一个载荷步文件并开始求解
a.概念第一个载荷步；
b.将边界条件写进文件MainMenu:
Solution>-LoadStepOpts-WriteLSFile…；
c.为了进行第二次求解按需要改变载荷条件；
d.将边界条件写到第二个文件；
e.利用载荷步文件进行求解MainMenu:
Solution>-Solve-FromLSFiles…
4、按您的理解，请预测国内和欧洲等发达国家在未来十年后MEMSCAD技术的进展情形，目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。
（8分）
答：
国内和欧洲等发达国家在未来十年后MEMSCAD技术的进展情形:
MEMS（MicroElectroMechanicalSystems，微机电系统）是多种学科交叉融归并具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。
MEMS以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广漠的应用前景。
在国内外市场中MEMS的研究早已经成为重点研究的科技方向之一，MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法应付设计需求。
幸运的是现今运算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中取得普遍的应用,2D和3D运算机画图技术的进展使咱们能够对复杂的MEMS结构及版图进行运算机设计,有限元技术的应用使得咱们能够用精准的运算机数值求解方式来分析和预测器件的性能。
对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能。
从而使咱们能够对MEMS器件结构和工艺进行运算机模拟和设计优化。
目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题：
我国MEMSCAD的研究始于20世纪90年代初，起步并非晚，但相对于发达国家而言咱们仍是有差距，主要表此刻设计能力和加工水平上，不过这会随着我国科技的进展逐渐变小的。
现今我国国内在MEMSCAD这块与发达国家的不同体此刻创新思维上，在国内院校采用应试教育体制致使人材的创新能力赶不上，致使咱们在技术上的难以冲破。
MEMSCAD技术先要求的是微米纳米级别的尺寸，这就要求咱们不仅在软件上要有自己独立的软件，而不是用外国人研究的软件，因为在软件里面的协议都是外国人定的，这就限制了咱们的设计在国外以后，这在开发软件上也是技术的瓶颈。
第二是加工工艺的要求，其实国内的加工工艺仍是不错的，只如果能设计出来的器件，一般是能够加工出来的。
在CAD封装和测试方面，MEMS和IC最大区别在于MEMS要与现实世界发生多方面的彼此作用，涉及多种能量和物质的传输和处置，因此比IC要复杂得多，成为MEMS技术进一步进展的瓶颈。
MEMS的靠得住性和应用研究也是目前MEMS技术的难点。
靠得住性是MEMS器件利用者最关心的问题之一，尤其是在MEMS应用于医疗领域时，靠得住性尤其突出。
粘附、杂质玷污和加工中的残余应力，是目前MEMS中造型机械结构失效的主要原因。
目前各国的科研机构已对这些问题给予了高度的重视,正在尽力地解决，并有所冲破。
二、综合性设计实验：
隧道式硅微加速度计的设计与仿真
图1加速度计的尺寸结构图图2加速度计结构顶视图
题意：
图为隧道电流式硅微加速度计的结构尺寸外型图，设计成立模型并求解。
该隧道电流式加速度计的结构设计参数主要有：
质量块边长L，质量块厚度h，梁宽w，梁长Ld，梁厚d，打折梁长L0。
这些结构设计参数的取值受到的主要限制有：
（1）现有硅制造工艺水平；
（2）材料的钢度、强度；（3）加速度计量程。
初始尺寸：
（单位：
um）
质量块：
正方形边长a=980、厚度c=90悬臂梁：
梁长L=1050、梁宽w=20、高d=25
打折梁长：
L1=50，支撑柱高50（为了方便观测，值取的较大），底座高150
求解：
1）成立隧道电流式加速度计模型及进行合理的网格划分；（10分）
2）对模型加载边界条件全约束和质量块150g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部份的受力状况；（5分）
3）求解六阶模态，并在word文档中保留其前六阶模态云图；（5分）
4）采用完全法对加速度传感器模型进行瞬态分析。
在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时刻为25μs的冲击加速度，值为200g。
将载荷分为50个子步，画出其隧尖的最大位移曲线。
（10分）
5）用INTELLISUITE软件进行简单的工艺设计与仿真。
（10分）
实验步骤：
1.概念工作名、工作题目、过滤参数
工作题目：
Utilitymenu>File>ChangeTitle输入09060242-51-zuoxianhong
2.选择单元类型
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
StructuralSolid>brick20node95单击OK
3.设置材料属性
1）概念材料的弹性模量EX，PRXY
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Material
Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，弹性模量EX＝，泊松比PRXY＝
2）概念材料的密度DENS
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>density，DENS=
4.成立模型（采用自顶向下建模）
1）成立体结构：
（单位：
um）
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimension坐标依次成立为：
坐标
X1
X2
Y1
Y2
Z1
Z2
质量块
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
悬臂梁
-70
980
-70
-50
65
90
-70
-50
0
1050
65
90
0
1050
1030
1050
65
90
1030
1050
-70
980
65
90
支撑柱
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）成立遂尖：
感动工作平面：
WorkPlane>DisplayWorkingPlane
移动工作平面：
WorkPlane>AlignWPwith>XYZlocations+>x=0,y=0,z=90
成立遂尖：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>cone>ByPicking
WPx=490,WPy=490,Rad=15,Rad=0,Depth=25,点击OK
关闭工作平面：
WorkPlane>DisplayWorkingPlane
5.粘接所有体
：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes,PickAll
6.划分网络：
MainMenu>Preprocessor>MeshTool
1）将智能网格划分器（SmartSizing）设定为“on”
2）将滑动码设置为“6”
3）确认MeshTool的各项为:
Volumes,Tet,Free
4）MESH—PickAll（若是在网格划分进程中出现任何信息，拾取“OK”或“Close”）
5）关闭MeshTool结果如图
7.静力学分析：
1）指定分析类型及分析选项
Menu>Solution>NewAnalysis>Static
Menu>Solution>Sol’nControls，单击标签“Basic”，在CalculatePrestresseffects选项前打“√”。
打开预应力选项。
单击OK
2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座除上表面外其他五个面的自由度。
3）施加集中力载荷：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity>
Global在ACELZGlobalCartesianZ-comp中输入-1500点击OK
4）求解：
单击菜单MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。
5）观察解得的静力分析结果，结果如图
MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSoluDOF>Displacementvectorsum
8.进行模态分析：
1）指定分析选项，MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>Modal
2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度。
3）分析选型设定，MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions
在弹出对话框中，指定Modeextractionmethod为BlockLanczos，并指定No.ofmodesextract为6,将Expandmodeshapes设置为“YES”,在No.ofmodestoexpand文本框中输入6。
将Inclprestresseffects设置为“YES”，单击ok按钮，将会弹出BlockLanczosMethod对话框，指定的值为：
StartFreq是0，EndFrequency是999999。
单击ok按钮
4）进行求解MainMenu>Solution>CurrentLS
5）观察解得的模态
a.MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet，
b.MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSoluDOF>Displacementvectorsum
Menu>GeneralPostproc>ReadResults>NextSet，选第二阶模态。
d.选取菜单路径MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu
e.选择stress>vonMises>OK图形窗口中将显示出第二阶模态振型。
f.对余下的各阶模态重复步骤c～d，观察所求解的各阶模态的振型
一阶模态分析图二阶模态分析图
三阶模态分析图四阶模态分析图
五阶模态分析图六阶模态分析图
9.进行瞬态分析：
1）从网格划分开始
2）指定分析类型及分析选项MainMenu>Solution>NewAnalysis>Transient点击OK，在弹出窗口中[TRNOPT]当选择full点击OK。
3）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
>OnAreas,约束底座除上表面外其他五个面的自由度
4）概念时刻段MainMenu>Solution>loadstep>Time/Frequenc>Time-Timestep
输入[TIME]=1e-8，KBC选择Stepped，点击OK.
5）施加集中力载荷：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural
>intertia>gravity>gloabe,输入ACELZ=-2000，点击OK，
6）求解：
单击菜单MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。
7）重复第4,5,6步，输入[TIME]=5e-6，[DELTIM]=5e-7,点击OK，在Z轴方向施
加力为-2000，点击OK；每距离选一个数值，直到[TIME]=。
8）MainMenu>TimeHistPostpro>definevariable，点ADD>NodalDOFresult,点OK,选遂尖，选translationUZ，点OK.
9）MainMenu>TimeHistPostpro>Graphvariable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如图所示
时刻-位移曲线图
三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部份为本课程的主要内容总结，第二部份请您谈谈你对本课程学习的熟悉与体会。
（20分）
CAD课程的主要内容
（一）.MEMSCAD的相关内容概述
MEMSCAD是什么？
CAD=ComputerAidedDesign；ComputerAugmentedDesign；
MEMSCADInclude：
（1）ANSYS
（2）INTELLISUITE（3）L-EDIT
MEMS的进展与前景的介绍，说明MEMS的重要性，由此引出MEMS设计软件ANSYS。
（二）．ANSYS软件
1）ANSYS简介：
ANSYS是一个功能壮大、灵活的设计分析及优化，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可与CAD、CAM软件实现数据共享及互换，可实现产品的仿真分析，大大缩短设计周期，降低设计本钱、加速产品开发。
应用范围广：
核工业、建筑、航天航空、机械制造、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、船舶、轻工制造、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。
适用的操作系统：
在Windows、Unix、Linux、Irix、HP-UX中运行，从PC机到大型运算机均适用，ANSYS文件在它自己所有的产品和工作台上均兼容。
2）ANSYS的功能：
1．结构分析
a.静力分析--用来求解外荷载引发的位移、应力和应变等。
ANSYS程序中的静力分析不仅能够进行线性分析，而且能够进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题的分析。
b.模态分析--计算线性结构的自振频率及振形.
c.谐响应分析--肯定线性结构对随时刻按正弦曲线转变的载荷的响应。
d.瞬态动力学分析--肯定结构对随时刻任意转变的载荷的响应。
2.电磁分析--考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等
3.流体分析--用于肯定流体的流动及热行为
4.热分析--计算
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