MEMS器件多物理场耦合仿真分析

微镜是以单独或阵列形式用于显示器、便携式投影仪及其他光学设备的MEMS器件。为了聚焦光线于一组微镜，每个反射镜须随应用情况旋转角度，调节反射镜旋转角度会涉及到侧向偏移和扭转两种运动。

为解决这两种运动引起的问题，Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT开发了新的仿真过程，以改良MEMS微镜，促进其广泛应用。

挑战

许多MEMS器件如开关、陀螺仪和微镜都会经历大转动。这些器件中的开关通常是两端受约束并发生侧向偏移。

这两种情况都会在有限元模拟中引入几何非线性效应，但引入几何非线性效应后会出现以下两个主要现象：

• 大挠度

当单元方向因转动而改变时，局部刚度会向整体转换。单元应变产生明显的面内应力（膜应力）时，面外刚度显著改变。

• 有应力刚化的大挠度

大的膜应力（SX）引起的硬化响应。随着垂直挠度的增加（UY），较大的膜应力（SX）导致刚化响应。

许多MEMS器件会同时表现出大挠度和应力刚化。在模拟过程中，如果不对这两个现象进行适当的处理，求解的结果将会出现明显偏差。

另一个影响因素被称��初始应力。其来自于MEMS制造过程，通常会在器件中留下明显的残余应力。残余应力显著影响器件在吸合电压、特征频率和偏转方面的性能特征。因此我们可以为选定的有限元指定初始应力状态，以模拟残余应力。

使用的仿真工具

ANSYS Mechanical

ANSYS ACT 

静电-结构耦合仿真

静电-结构耦合模拟对于表征微镜的驱动和吸合（pull-in）性能至关重要。

从往期研究分析中得知：平板在静电缝隙减小1/3时发生微镜的吸合；对于扭转致动而言：当边缘处的微镜缝隙减小约44％时发生吸合。电压若进一步增加可能会导致“灾难性”吸合，整个微镜结构会塌陷变形。（注：摩擦力-MEMS设备中的重要考虑因素不包含在此分析中）

当电压升高和降低时，微镜位移遵循不同的路径。吸合/突陷和相应的释放状态发生在不同的电压下。

在14.4375V时

结构处于扭转平衡状态

在14.475V时

结构处于静电吸合

在14.4375V时

结构处于扭转平衡状态

在14.475V时

结构处于静电吸合

在10.60V时

结构仍处于塌陷状态

在10.55V时

结构被释放到吸合状态

在2.45V时

结构仍处于吸合状态

在2.4V时

结构被释放到转动平衡状态

电-结构-流体瞬态耦合效应

接下来我们将利用TRANS126单元进行瞬态分析。

双向流固耦合(FSI)分析可以确定空气阻尼；所有结构都以某些形式表现出阻尼。因此，当瞬态结构分析包括阻尼时，我们可以求解逆向问题：通过FSI从相应空气阻尼结果确定瞬态结构阻尼的结果。

◆ MEMS结构的响应时间通常非常重要。

◆ 对于微镜尤其如此。

◆ 这里使用不同的基准几何：微梁的长度×宽度×厚度为200×14×20 μm，而非250×8×20 μm，即大大提高刚性，可使共振频率更高，响应时间更快。

1阶模态：关于y轴的旋转_梁扭转

2阶模态：水平/面内_梁y向弯曲

3阶模态：垂直/面外_梁z向弯曲