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Simulação e Modelamento Comportamental de Sistemas
Microeletromecânicos (PSI 5109)
Docente: Gustavo Rehder
1o Perido – 2013
http://gnmd.webgrupos.com.br/ensino.php
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Design de MEMS
3 focos:
– Demonstrador de tecnologia
– Ferramenta de pesquisa
– Produto comercial
Microfone Digital
Acelerômetro
Mercado, Impacto Concorrência, Tecnologia, Fabricação
Sandia
Cantilevers
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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
→ →
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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
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Modelamento nos Diversos Níveis
Simulação 3D por Elementos Finitos
Macromodelo do Dispositivo
Simulação do sistema Resultados
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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
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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
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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
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Simulação Analítica
Vetor de deslocamento/deformação Vetor de força
Compliance Matrix
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Simulação Numérica
•ANSYS Multiphysics
•Comsol
•CoventorWare
•IntelliSuite
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Simulação do Processo CoventorWare
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Simulação do Processo
Estrutura Inicial Depois de difusão
Depois de deposição Depois de corrosão
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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
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Estudo de Caso: Modelo Comportamental
Modelo Eletromecânico
Acionamento (Baixa Frequência)
Modelo RF Sinal RF
(Alta Frequência)
Sinal RF Modulado
Position
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Equação de Acoplamento Eletromecânico
Agilent ADS
Modelo da Estrutura mecânica
Modelo Eletromecânico
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Tensão de Contato
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Modelo RF
Fréquence Temps de Simulation
100 MHz 111 s
1 GHz 1473 s
Posição Capacitor Variável
Modelo RF
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Simulação Parâmetros S
Simulação Monte Carlo -
Correlação alta e baixa frequência