产品
作者在ANSYS Workbench平台上，利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT对MEMS器件（包括微镜）进行仿真模拟，解决了MEMS器件相关的多场耦合和结构非线性问题。
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：
l 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。
l 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为初始应力。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
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）
◆ 微镜基底和驱动电极之间的静电狭缝为3μm。
◆ 电压从0 V升至50 V，然后又从50 V降至0V。虽然驱动要求可能仅需12 V，但在这里我们将使用幅值范围内的电压以研究整个MEMS器件的物理性能。
◆ 非线性机电转换单元（TRANS126）将被用于耦合机电场，因为TRANS126 EMT单元允许静电和结构的直接耦合，并且内置了接触功能，可阻止电极与对立的接地层之间的接触。
TRANS126单元是用EMTGEN宏生成的。该宏需要MAPDL命令，这些命令通过在静态结构分析中插入命令流片段的方式输入，创建与微镜电极对应的节点组。
假设驱动电极接触止推的偏移量为0.1μm。根据机电耦合模拟，绘制了微镜一侧底部边缘与另一侧顶部边缘在施加不同电压时的位移变化图。
结果
我们通过上述的仿真模拟过程，观察到了各种效果，包括迟滞、静电吸合、突陷和释放，获得了非线性的、与路径有关的结果。
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。
1、升高电压
◆ 0＜V≤14.44：旋转位移的稳定平衡状态
◆ 约14.46 V：静电吸合
◆ 14.48≤V≤40.25：微镜底边接触止推的吸合状态（微梁扭转弯曲）
◆ 大约40.31 V：静电突陷
◆ 40.38≤V≤50：微镜底边接触止推的塌陷状态（微梁垂直弯曲）
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
2、降低电压
◆ 50≥V≥10.60：结构保持塌陷状态
◆ 约10.58 V：从静电塌陷状态释放到吸合状态
◆ 10.55≥V≥2.45：结构保持在吸合状态
◆ 大约2.42 V：从静电吸合状态释放
◆ 2.40≥V＞0：转动位移的稳定平衡状态
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
这是一个与路径相关的求解结果的示例：在给定的电压下，可能存在多个稳定的结果，这是非常困难的非线性问题。
需注意：如果此问题只使用一个载荷步来求解，外加电压为20V，则所获得的结果将对应的是静电塌陷状态，而不是吸合状态。因此，若非特定要求，保留子步或多载荷步很有用。
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、模态结果
2、前三阶模态最重要
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
第三阶与更高模态之间频率差异较大
◆ 在上图实体模型中，微梁上的锥度（圆角）被移除以便于网格划分
◆ 结构下方的气隙=静电狭隙=3μm
◆ 两侧的气隙为100μm
◆ 结构上方气隙为12μm
ANSYS ACT在没有任何命令的情况下展示了现有的MAPDL声学特性。这使您能够：
◆ 定义MEMS相关的多物理场单元
◆ 添加特定的MEMS材料属性
◆ 应用MEMS相应的边界条件
小结
在ANSYS Workbench平台上，利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解决与MEMS器件（包括微镜）相关的非常困难的非线性问题。
免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删
155-2731-8020
