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シミュレーションでMEMS設計・製造の不確実性とリスクを軽減
公開日：2019年12月
MEMSは、センサー（測定した機械信号を電気信号に変換）およびアクチュエータ（バルブ、光スイッチ、ポンプ、フラップなど）に使用されています。これらはどちらも、IoTのデータ収集と操作に不可欠です。MEMSの設計には、多くのタイプのフィジックス（物理現象）と幅広いバリエーションのジオメトリおよび材料が関係するので、ビルド&テスト方式では、開発が非常に困難で、時間もかかります。シミュレーションは、効果的で信頼性の高いMEMSを開発する究極のツールです。
目次
- 設計から解析へ
- 相互に関連するフィジックスの影響を把握
- 材料特性と境界条件の不確実性
- MEMS設計の最適化
- デバイスとパッケージの相互作用の把握
- MEMSの複雑化に伴う計算時間の合理化
- MEMS設計に必要となる特殊なシミュレーション出力の作成
- 結論
- その他資料
材料特性と境界条件の不確実性
シミュレーションの精度は、材料特性の精度に大きく依存します。しかし、MEMSデバイスに使用される材料の特性は、テキストブックの値と異なることが多々あります。たとえば、剛性は使用する配合によって異なり、同じ配合を使用しても製造ツールによって異なることがあります。Ansys Mechanicalは、異なる材料特性値を用いたり、その他のパラメータを変えながら、一連のシミュレーションを実行するプロセスを自動化するツールを提供します。また、シリコン基板上に蒸着した薄膜構造は、同等のマクロレベル構造ほど硬度が高くないので、設計者はどの境界条件をシミュレーションに使用するかを判断する必要があります。これらの問題や関連するそのほかの問題は、物理テストとシミュレーションを統合することで対処できます。
MEMSの複雑化に伴う計算時間の合理化
MEMSデバイスは非常に複雑な場合があり、複雑であるほど、必要な計算時間は長くなります。この複雑さを軽減することによってソリューション時間も短縮するモデル化手法を用いることができますが、このような手法を使用するときは精度を考慮しなければなりません。Ansysを用いて櫛歯駆動ジャイロスコープの感度、直線性、温度係数、およびその他の結果を合理的な計算量で検討した例をご紹介します。
MEMS設計に必要となる特殊なシミュレーション出力の作成
従来の手法では、MATLABRやExcelRなど、別の環境でポストプロセスルーチンを開発する必要がありました。ポストプロセス環境にデータを移動する必要があるため、時間がかかり、単位の混在などのエラーが発生する可能性が生じます。Ansys Mechanical GUIでは、ボタンをプッシュするだけで、インピーダンスやQファクター、キャパシタンス抽出を含む、多くの一般的なポストプロセスルーチンを使用できます。図は、共振周波数におけるピエゾ層の変位分布です。
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