Modelowanie mikrosystemów - laboratorium Ćwiczenie 1 Modelowanie ugięcia membrany krzemowej modelowanie pracy mikromechanicznego czujnika ciśnienia Zadania i cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest dobranie odpowiedniej grubości membrany krzemowej mikromechanicznego czujnika ciśnienia, dla zadanego zakresu ciśnień. Zadaniem wykonującego ćwiczenie jest zaprojektowanie w programie AutoCAD struktury czujnika ciśnienia oraz zamodelowanie pracy tego czujnika (membrany krzemowej) stosując jako parametr grubość membrany krzemowej oraz siłę działającą na tę membranę. Przebieg ćwiczenia. Ćwiczenie składa się z trzech etapów: etap 1 zaprojektowanie struktury czujnika ciśnienia w programie AutoCAD, etap 2 zamodelowanie zaprojektowanej struktury w programie Comsol Multiphysics, etap 3 prezentacja wyników. 1. Projekt AutoCAD. Powszechnie produkowany czujnik ciśnienia (przykład na rysunku poniżej produkcja ITE Warszawa) składa się z części krzemowej osadzonej na słupku szklanym o wysokości 2 mm. W podłożu krzemowym o grubości 380 µm, metodami mikromechanicznymi i mikroelektronicznymi, wytworzono membranę krzemową oraz na jej górnej części rezystory wdyfundowane (piezorezystory) i kontakty elektryczne. Tak przygotowane podłoże łączy się z podłożem szklanym zawierającym szereg przelotowych otworów w procesie bondingu anodowego. W kolejności, połączone podłoże dzieli się na niezależne chipy piezorezystancyjne czujniki ciśnienia o wymiarach (najczęściej) 2,2 x 2,2 mm 2 i wysokości 2,38 mm. Membrana krzemowa ma najczęściej wymiary 1 x 1 mm 2 i grubość dostosowaną do zakresu ciśnień roboczych.
W projekcie AutoCAD mikromechanicznego czujnika ciśnienia należy zatem przyjąć, że: struktura czujnika wykonana jest w podłożu krzemowym o orientacji krystalograficznej (100) stosując mokre anizotropowe trawienie krzemu, chip o wymiarach 2,20 x 0,38 mm 2, powierzchnia membrany wynosi 1,0 x 1,0 mm 2, grubość membrany 50 µm (wartość początkowa do symulacji). Uwaga: Prowadzący może indywidualnie zmienić wymiary membrany krzemowej. 2. Symulacja. Przeprowadzenie poprawnej symulacji wymaga: wybrania odpowiedniego modułu do symulacji, zaimportowania z pliku DXF zaprojektowanej struktury - modelu, określenia materiału, z jakiego zbudowany jest model, określenia warunków brzegowych, zadania odpowiedniej siatki podział modelu na trójkąty (do obliczeń wykorzystywana jest metoda elementów skończonych), umiejętna prezentacja wyników. Zadaniem realizującego ćwiczenie jest wykonanie kilkunastu symulacji gdzie parametrem będzie siła działająca na membranę krzemową przy jej stałej grubości. 3. Prezentacja wyników. Realizujący ćwiczenie przygotowuje zwarty raport, w którym zawarty jest cel ćwiczenia, krótki opis modelowanego obiektu oraz wyniki modelowania w formie obrazów graficznych 2D i 3D, przekrojów i wykresów.
Opis programu COMSOL Multiphisics 1. Wybranie odpowiedniego modułu do symulacji. 1. Uruchom program COMSOL Multiphysics, 2. W oknie dialogowym Model Nawigator, zakładce New, wybierz: Space dimension: 2D Application Modes / MEMS Module / Structural Mechanics / Plane Stress / Static analysis Wybór zatwierdź przyciskiem OK. Po zatwierdzeniu pojawi czyste się okno programu. 2. Importowanie pliku AutoCAD do programu Comsol Multiphisics 2.1. Import pliku. Zaimportuj odpowiedni plik z rozszerzeniem DXF wykorzystując ścieżkę: File / Import / CAD Data From File
2.2. Skalowanie. Zaznacz obiekt (obiekt podświetli się na czerwono). Dopasuj wymiary obiektu (skalowanie) wykorzystując ścieżkę: Draw / Modify / Scale lub przycisk (skrót) menu pionowego, wpisując odpowiednie wartości (jeśli w programie AutoCAD jednostką rysunku były mikrometry to wpisz oknie Scale factor 0.000001 dla x i y)
Po skalowaniu wykorzystaj funkcję szybkiego dostosowywania wymiarów obiektu do wielkości ekranu (Zoom Extents). 2.3. Rozbijanie obiektu. Zaznacz obiekt. Rozbij obiekt (Split Object) wykorzystując ścieżkę: Draw / Split Object lub przycisk (skrót) menu pionowego.
2.4. Tworzenie obiektu Solid. Zaznacz obiekt. Utwórz obiekt (Solid) wykorzystując ścieżkę: Draw / Coerce To / Solid lub przycisk (skrót) menu pionowego.
3. Zadanie parametrów obiektu i symulacji. 3.1. Przypisanie materiału z jakiego zbudowany jest obiekt. Wybierz opcję Subdomain Settings wykorzystując ścieżkę: Phisics / Sybdomain Settings W oknie dialogowym Subdomain selection zaznacz numer obiektu. Określ materiał obiektu wybierając go z bazy materiałów.
Wybierz materiał: krzem monokrystaliczny. Wybór zatwierdź przysiskiem Apply, a następnie OK. 3.2. Zadanie warunków brzegowych. Wybierz opcję Boundary Settings wykorzystując ścieżkę: Phisics / Boundary Settings W oknie dialogowym Boundary selection zaznacz odpowiednie krawędzie. Zaznacz elementy nieruchome membrany. W zakładce Constraint określ warunki brzegowe: Fixed dla krawędzi nieruchomych.
Następnie zaznacz elementy ruchome membrany. W zakładce Constraint określ warunki brzegowe: Free dla krawędzi ruchomych, na które nie działa bezpośrednio siła oraz dla odcinków ruchomych, na które siła działa bezpośrednio. W zakładce Load, dla odcinków na które siła działa bezpośrednio, określ wartość tej siły w paskalach oraz jej kierunek. Zaznacz odpowiedni rodzaj siły działający na membranę. Pamiętaj: 1 Pa = 1 N/m 2
3.3. Podział obiektu na trójkąty (meshowanie). Wybierz opcję Mesh wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego: Zagęść siatkę wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego: Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer. Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki jednakowe warunki symulacji i otrzymanych wyników. Jeśli to konieczne, zagęść siatkę lokalnie wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego: Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer. Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki jednorodność wyników.
3.4. Przeprowadzenie symulacji. Wybierz opcję Solve Problem wykorzystując ścieżkę: Solve / Solve Problem
3.5. Prezentacja wyników. Wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę: Postprocessing / Plot Parameters W zakładce Surface, w opcji Prdefined quantities wybierz odpowiedni rodzaj odkształceń lub naprężeń: naprężenia von Mises stress wygięcie w osi Y y-displacement Wybór zatwierdź przyciskiem Apply a następnie OK.
Aby zobaczyć kształt pierwotny wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę: Postprocessing / Plot Parameters, a następnie w zakładce Deform zaznacz Deformed shape plot. Uwaga! Zaobserwowane ugięcie nie odpowiada rzeczywistemu.