光学MEMS设计和仿真

光学MEMS或MOEM在数字投影中迄今为止取得了最大的成功。原始DLP(数字光投影)技术由德州仪器开发。DLP技术现已用于投影仪,电视机,数字电影和添加剂制造。对于其他应用越来越多地采用MOEMS,包括用于微型相机的被动光显示技术,光网络,聚焦和缩放机制,以及LIDAR设备中使用的扫描镜。为了满足复杂的MoEM设计要求,工程师正在采用混合设计方法,这些方法具有超出自定义模型开发的显着优势,同时减少了耗时耗时和昂贵的构建和测试周期的需求。

光学MEMS器件的示例

图1:光学MEMS器件的示例

设计挑战

典型的MoEMS设备的主要设计挑战是优化开关速度,涉及了解模式形状和振荡频率。其他关键设计参数包括接触动力学,频率滞后,温度漂移,冲击动力学,封装变形,气体阻尼和电源。为了最大化过程产量,在设计阶段也需要考虑过程和材料公差。此外,成功的MoEMS设计需要MEMS设备和ASIC工程师的组合专业知识,特别是对于RC延迟诱导串扰,降低屏幕性能的MEMS阵列。

Coventor的混合设计流程有助于MEMS团队满足其绩效标准,同时将成本和时间降低到市场。该方法利用科因特尔的MEMS+通过驱动电子设备实现快速设备设计和共模。通过在设计流程中与控制系统一起模拟MEMS设备,在设计周期中避免了昂贵的重新设计。来自MEMS的布局信息+软件也可以转移到Coventor的分析仪(在CoventorWare中),以便在Coventorware中使用MEMS特定的FEM求解器可以完成详细的设备设计。

COVENTOR的MOEMS设计的新型混合方法(在此示例中应用于扫描镜)

图2:Coventor的MoEMS设计的新型混合方法(在此示例中应用于扫描镜)

新的混合方法

1.快速设计勘探,高阶有限元

设计师首先在MEMS中创建几何MEMS模型+,使用来自高阶机电有限元的广泛文库的组件。在图3(下面)所示的镜像示例中,组装机械元件以模拟悬架和万向节。建立梳状带圆形骨架的手指,以模拟镜子和万向节的非线性静电驱动。该元件使用共形映射来模拟命中场电容并梳理平面间排列力致动。使用更高阶参数元素,用户可以在执行一个传统有限元分析(FEA)仿真所需的时间内组装和测试数百个设计解决方案。

<EM> MEMS </ EM> +高阶组件用于组装扫描镜的模型

图3:MEMS.+高阶组件用于组装扫描镜的模型

MEMS +模型已被优化以在MATLAB Simulink中运行®或者®。对于静电驱动的微镜,频率响应,在MEMS中构建的几何MEMS模型之后,通常会评估驱动电压和瞬态响应的驱动角度+。用户可以通过使用铸造厂提供的流程和材料信息执行基于Monte-Carlo的收益率分析来迅速评估设备性能的差异。

2.使用现场求解器进行详细分析和验证

在开发MEMS +模型之后,下一步是利用现场求解器来执行MEMS器件的详细分析。在我们的微镜示例中,Coventor的分析仪用于提取MEMS +的阻尼系数,并研究悬架梁中的应力。为了在制造之前对模拟提供额外的置信度,可以通过比较谐振频率来验证MEMS +和分析器解决方案。

可以在Coventorware中模拟位置依赖性气体阻尼系数。这些值可以插入在<EM> MEMS </ EM> +模型中并插入设备的瞬态模拟。

图4:可以在Coventorware中模拟位置依赖性气体阻尼系数。这些值可以插入MEMS.+模型并插入设备的瞬态仿真。


Coventorware悬挂应力分布和旋转角度的最大应力模拟

图5:Coventorware悬挂应力分布和旋转角度的最大应力模拟

3. MEMS + IC系统仿真

接下来,可以在Cadence电路设计工具或Mathworks Simulink环境中完成设备和其附属电子设备的共模。在科因登斯建造的MoEms模型MP.也可以构造成阵列,用于整个显示器的完整系统分析。

示例示意图如图6(下面)所示。MEMS +模型阵列连接到驱动SRAM致动电路和模拟线路电阻的RC网络。由于这些模型是参数,所以设计人员可以快速且容易地调整电路和/或更改MEMS设备以探索哪种策略产生最佳性能。

在2D图和3D动画中所示的节奏和瞬态仿真结果中的镜像阵列的示意图

图6:Cadence软件中的镜像阵列的示意图,具有瞬态仿真结果,在2D图和3D动画中显示

一个完整的MEMS设计平台

Coventor的MEMS +和分析仪为Moems设计提供了一个强大的平台。它们解决了使用普通FEM工具无法解决的关键设计挑战。使用该平台,设计人员可以模拟致动和传感机制的复杂多物理,以及电子和MEMS包装。此外,Monte-Carlo分析可用于研究和提高制造产量。

该方法具有许多优点。首先,工程师不需要从FEA或分析表达式手工减少订单或等效模型;MOEMS的所有基本物理都包含在内MEMS.+模型。这节省了宝贵的时间和资源。其次,迅速探索过程和设计变化,因为MEMS.与传统的FEA模型相比,+模型是完全参数的,并模拟非常快。第三,通过利用与Matlab等一流的模拟器集成的平台®,simulink和cadence幽灵®,工程师可以获得准确性和容量的最佳组合。作为考文带,数学作业和节奏都为他们的工具提供速度和能力的改进,繁荣乘以。前进,模拟性能将超过用户不断增长的需求。

参考:

设计优化高谐振频率,MA,W.,C.,H.Y。,WONG,C.C。,CHAN,Y.C。,TSAI,C.J。,LE,F.C.S,MEMS 2010

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