Компоненты микросистемной техники. Введение в моделирование на ANSYS. Учебно-методическое пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

А. В. ГРИДЧИН

КОМПОНЕНТЫ

МИКРОСИСТЕМНОЙ

ТЕХНИКИ

Введение в моделирование на ANSYS

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2022

область исследований, в которой будет вестись все дальнейшее рассмотрение. В качестве такой области в настоящем учебно-методиче- ском пособии будем рассматривать микросистемную технику, в которую включаются в общем случае различные сенсоры, актюаторы и микросистемы.

Микросистемная техника, на примере которой мы будем изучать различные способы компьютерного моделирования и проектирования в среде ANSYSТМ, в конце XX века оформилась как новое и самостоятельное направление науки и техники. Первоначально она была чисто инженернымнаправлением, иеезадачейбылопроектированиеразличных сенсоров, – например, сенсоров механических величин, температуры, магнитных полей. Однако она последовательно развивалась, обогащаясь физическим подходом, что позволило решать задачу проектирования на более фундаментальной основе. Далее развились и сформировались специализированные технологии, характерные только для микросистемной техники. Появились новые, более сложные приборы, такие, как актюаторы, интеллектуальные сенсоры, и наконец, собственно микросистемы. В связи с этим процесс моделирования и проектирования этих приборов и систем вышел на новый, значительно более сложный уровень. Ограничиваться чисто аналитическим подходом стало уже невозможно. Поэтому потребовались компьютерные модели.

Одновременно с этим развивались и совершенствовались сами методы компьютерного моделирования, перейдя от конечно-разностных схем к конечно-элементным. Этот переход сделал процесс компьютерного проектирования более логичным и понятным, а также обогатил его новыми возможностями. Вместе с этим он сделал значительно более сложным ипроцесспониманияматематическойсутипроцедур, положенных в основу компьютерных вычислений. Для этого стало требоваться знание матричной алгебры, умение ставить и решать краевые задачи, проверятьсоздаваемыемоделинаустойчивостьсетки, наналичие паразитных линий, плоскостей и объемов, а также на многие другие моменты, очевидные лишь по мере развития вычислительных методов.

К счастью, для работы с пакетом ANSYSТМ на первых порах достаточно знать его базовые функции, позволяющие создавать простейшие модели и моделировать простейшие узлы или элементы. Поэтому в этом учебно-методическом пособии мы опишем различные

4

подходы к моделированию таких простейших узлов микросистем, как кантилевер и мембрана, в различных их вариациях. На примере этих узлов, как неотъемлемых элементов сенсоров давления и ускорения, мы опишем некоторые методики моделирования и проектирования в среде ANSYSТМ. Для краткости далее будем опускать указание на торговую марку программного продукта, считая, что она подразумевается.

Предлагаемое вашему вниманию учебно-методическое пособие написано с учетом большого опыта проектирования и создания различных сенсоров и микросистем, что дает возможность выстроить изложение материала как последовательный курс. Знакомясь с этим курсом и выполняя самостоятельно или в группе лабораторные работы, читатель сможет освоить азы моделирования в среде

ANSYS.

В главе 1 рассмотрена общая идеология компьютерного моделирования и проектирования, в том числе и применительно к моделированию и проектированию в среде ANSYS. Даны толкования применяемой при этом терминологии и общие сведения, касающиеся метода конечных элементов. В главе 2 описан рабочий стол приложения ANSYS Mechanical APDL и способ рисования геометрии структуры при помощи графического интерфейса пользователя (GUI). В приложении дан краткий обзор метода конечных элементов применительно к моделированию изделий микросистемной техники.

Автор отчетливо понимает, что описывает лишь очень маленький набор тех огромных возможностей, которые дает этот пакет программ. Он действительно может стать для кого-то из читателей самой настоящей профессией. Тем большей представляется автору потребность будущихконструкторовидизайнероввпрактическихруководствахпотем программным пакетам, при помощи которых создаются современные высокотехнологичные изделия, в число которых входят и микросистемы.

В2. МИКРОСИСТЕМЫ КАК ОБЪЕКТ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Микросистемнаятехника– этосравнительномолодаяобластьнауки и техники. Первоначально она была представлена только сенсорами (датчиками), т. е. устройствами, способными преобразовывать неэлек-

5

трический сигнал в электрический. Однако совершенствование процесса измерений, уменьшение размеров как измерительных приборов, так и измеряемых ими объектов внесли свои коррективы в процесс эволюции микросистем.

Уже к середине 1980-х годов появились «интеллектуальные сенсоры» (smart sensors), т. е. устройства, способные корректировать свою реакциюнавнешнийсигналпомереизмененияэтогосигналаиусловий окружающей среды. Это привело к созданию следующего поколения микросистем – трансдъюсеров (transducers), сигнал которых предоставлялся пользователю уже в наиболее удобной для него форме. Наконец, вначале1990-хгодовпоявилисьустройства, способныепреобразовывать электрический сигнал сенсора или трансдъюсера в неэлектрическую форму, их стали называть актюаторами (actuators). Затем внутри трансдъюсеров стали выделять два отдельных блока – сам сенсор и сигнальный процессор, роль которого сводилась к взаимодействию с «внешним миром» измерительной системы. Дополнив сенсор и сигнальный процессор актюатором, получили микросистему. Таким образом, микросистема представляет собой триаду из сенсора, сигнального процессора и актюатора.

В микросистемной технике принято разделять все известные виды измеряемых воздействий на шесть основных классов: механические,

термические, оптические, магнитные, химическиеирадиационные.

В соответствии с этим выделяют и шесть основных классов микросистем. Среди этих классов существует и более детальная классификация по различным типам конструкций, механизмам работы и т. п.

Уже из этого простого упоминания названий классов микросистем ясно, что специалист, имеющий намерение моделировать и проектировать микросистемы, должен обладать широким кругозором. Ему необходимо иметь фундаментальные знания во многих областях физики и химии, технологии создания микроэлектроники, а также достаточную математическую подготовку. Все это делает проектировщиков микросистемуниверсальнымиспециалистами, способнымирешатьсамыеразличные задачи благодаря системному подходу, без которого стать серьезным специалистом в области проектирования микросистем не представляется возможным.

Среди различных методов, доказавших на практике свою эффективность в области моделирования и проектирования микросистем, выделим метод конечных элементов (МКЭ). В настоящий момент он явля-

6

ется базовым для многих конструкторских приложений и его изучение столь же необходимо студентам, как изучение математического анализа.

Однако в настоящее время этот метод изучается главным образом на факультетах математической направленности, основная же масса студентов с ним практически не знакома. Поэтому в настоящем учебно-методическом пособии дано его краткое описание. Более полно с методом можно ознакомиться, изучив рекомендуемую литературу.

Предлагаемое вашему вниманию учебно-методическое пособие представляет собой первую часть цикла лабораторных работ по моделированию и проектированию в среде ANSYS узлов и элементов микросистем. Такой подход является весьма удобной заменой «классического» лабораторного практикума, связанного с реальными измерениями различных приборов, поскольку богатство возможностей среды ANSYS дает и необходимую полноту знаний о поведении моделируемых узлов и элементов микросистем под воздействием различных нагрузок. Мало того, этот подход логично выводит студентов на создание моделей и более сложных узлов и систем, а в конечном итоге – и на работу в качестве конструктора, проектировщика микросистем. Тем самым обеспечивается практическая ценность предлагаемого в настоящем пособии лабораторного практикума.

Реальные задачи проектирования микросистем невозможно решать без верификации, т. е. сравнения с результатами аналитических расчетов или реальными экспериментальными данными. Однако реальные экспериментальные данные являются большой ценностью, которая, к сожалению, не всегда доступна. Поэтому для проверки результатов конечно-элементного моделирования на ANSYS в предлагаемых вниманию читателя лабораторных работах имеется раздел «Практическая часть». В этом разделе представлены практические задачи и необходимые сведения, с помощью которых их можно решить.

Таким образом, стратегия выполнения лабораторных работ предлагаемого цикла заключается в освоении теоретического материала, решении поставленных задач практической части при помощи рассматриваемого в работе метода моделирования на ANSYS, затем в решении тех же задач на основании известных из теории формул

7

и дальнейшем сравнении результатов численного моделирования с теорией.

Авторвыражаетглубокуюубежденностьвнеобходимостиицелесообразности подобного подхода, поскольку он способен наиболее быстрым способом привить студентам знания, умения и навыки, необходимые для них как для будущих специалистов, разработчиков микросистемной техники.

8

Основная цель компьютерного моделирования микросистем – создание физически адекватной компьютерной модели и изучение этой модели. Обратим внимание на то, что эта модель должна быть, прежде всего, физически адекватной. Например, всем хорошо известно, что если к какому-либо телу приложить механическую нагрузку, превышающую его предел прочности, это тело попросту разрушится. Оболочка камеры может лопнуть, по мембране могут пойти трещины и т. д. Вы можете захотеть увидеть на компьютере, как произойдет этот процесс. Но вы его не увидите, потому что в создаваемую модель не включено описание процесса растрескивания мембраны или взрыва какойнибудь оболочки. Этот процесс должен быть, прежде всего, описан на языке уравнений теории упругости, гидродинамики, физики взрыва, теории поля и т. п. Иными словами, для того чтобы моделировать различные физические приборы, нужно знать физику их работы.

Другой пример. Современная микропроцессорная техника вплотнуюприблизиласьксозданиюнаноразмерныхприборов. Ужеимеются процессоры с размерами затвора полевого транзистора 5 и даже 3 нм. Это тот технологический порог, за которым при моделировании физических процессов, протекающих в этих транзисторах, в рассмотрении необходимо учитывать квантовые явления. Вы можете захотеть увидеть на компьютере, как меняются характеристики приборов, если вы зададите им размеры в несколько нанометров, в связи с проявлением в них квантовых явлений. Но вы не увидите их. Это произойдет потому, что в программе, моделирующей свойства и поведение таких объектов, квантовые явления не учитываются. Иными словами, для компьютера все равно, какой размер будут иметь моделируемые вами приборы. На основе теории, созданной, подчеркнем, для макроскопических тел, моделировать физические явления качественно иного характера попросту невозможно. Необходимо написать новые уравнения и ввести новые ограничения, характеризующие изменения свойств объектов при переходе на качественно иной уровень. Лишь тогда можно будет говорить о моделировании приборов качественно другого уровня.

Смысл компьютерного моделирования состоит в том, что состав-

ление компьютерной модели избавляет вас от необходимости ее создания в реальности, что исключительно важно при проектирования приборов, систем, конструкций, сооружений и т. п. Потому что гораздо легче, проще и дешевле создать компьютерную модель и испробовать на ней различные виды нагрузки, чем создавать большое количество

10