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 ANSYS在MEMS的應用

成功案例PDF資料
(1,2,3)

 
微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)是小型的機電系統,其物理現象為跨領域的分析,包括:電流、電場、機械、光學、材料、化學、流體各領域及其耦合分析。MEMS的元件裝置通常為微米尺度的小型致動器(actuators)或感測器(sensors),而整個MEMS系統之一般尺寸為幾個mm到100 mm。
 
因MEMS是跨越多種領域的物理現象,因此針對MEMS的最佳分析工具為ANSYS Multiphysics。MEMS會應用到的單物理分析或多物理耦合分析如下表所示:
 

MEMS應用

ANSYS Multiphysics 功能

慣性裝置(Inertial Devices): 加速規(Accelerometers)與陀螺儀(Gyroscopes)

結構模態(Structural modal), 靜態(Static), 暫態(Transient), 靜電-結構(Electrostatic-Structural), 系統分析的降階模型(Reduced order macro modeling for system level).

表面聲波元件(Surface Acoustic Wave Devices)

聲場-結構耦合(Acoustic-Structural coupling)

微條狀元件(MicroStripline Components)

高頻電磁場(High Frequency electromagnetics)

微補片與分形天線(Micro-patch and Fractal Antennas)

高頻電磁場(High Frequency electromagnetics)

噴墨印表機的壓電列印頭(Piezo Inkjet Printheads)

直接結構-靜電場耦合(Direct coupled structural-electric physics), VOF自由表面(Free surfaces)與毛細作用(Capillary action).

噴墨印表機的熱列印頭(Thermal Inkjet Printheads)

--結構耦合(Electro-thermal-structural coupled physics).

-結構耦合(Thermal-structural coupled physics).

微質量頻譜儀(Micro mass spectrometers)

電磁(Electromagnetics)與帶電粒子軌跡(charged particle tracing)

靜電梳狀驅動器(Electrostatic comb drives)

靜電場-結構耦合(Electrostatic - structural coupling). 電容抓取(Capacitance extraction).

微流體流道(Microfluidic Channels)

牛頓/非牛頓連續流(Newtonian/non-Newtonian continuum flow)

壓電致動器(Piezoelectric actuators)

直接結構-靜電耦合(Direct coupled structural-electric physics)

壓力致動器(Pressure transducers)

電容式(Capacitance based): 靜電場-結構耦合(Electrostatic-structural coupling).
壓阻式(Piezo-resistive based): -結構間接耦合(Electro-Structural indirect coupling)

電機械RF濾波器(Electromechanical RF filters)

靜電場-結構耦合(Electrostatic-structural coupling).
電容抓取(Capacitance extraction).

微鏡片技術(Micromirror technology)

靜電場-結構耦合(Electrostatic-structural coupling). 流體阻尼(Fluid damping effects)

微抓取器(Micro-grippers)

--結構耦合(Electro-thermal-structural coupling).

TIP場發射器(Micro TIP field emitters)

靜電場(Electrostatics)與帶電粒子軌跡(charged particle tracing)

微齒輪組合(Micro-Gear assemblies)

機械接觸與磨擦(Mechanical with complex contact, friction).

熱電致動器(Thermoelectric actuators)

--結構耦合(Electro-thermal-structural coupled physics)

磁變形致動器(Magnetostrictive actuators)

低頻電磁場(Low Frequency electromagnetics)

 
此外,下圖是ANSYS Multiphysics應用於MEMS的示意圖:
 
ANSYS Multiphysics應用於MEMS的示意圖 (ANSYS, Inc.)
 
ANSYS在MEMS的成功案例
 
法國SilMach S.A.公司的MEMS技術位於領先的地位,他們採用ANSYS Multiphysics來發展微機電系統的感測器與致動器陣列(array)。MEMS陣列為多物理領域的耦合,因此ANSYS Multiphysics的耦合分析功能成為最重要的設計幫手,而且準確預測MEMS產品的性能與可靠度,提高MEMS工作效率。
 
(2) Lucas NovaSensor
 
MEMS壓力感測器是利用微小的板或樑結構,以幾個微米(microns)之位移量來測量壓力,其原理是以板或樑的撓曲位移,再轉換為電信號輸出。MEMS電熱致動器則是利用電熱效應的焦耳熱(Joule heating),當輸入的電流轉換為熱能時,結構因熱變形而產生位移,進而驅動MEMS產生動作。
 
Lucas NovaSensor的MEMS產品包括壓力感測器與電熱致動器,且採用ANSYS Multiphysics來研發分析,不論單一物理場或耦合物理場,均可由ANSYS軟體完成分析,且提供必要的設計資訊。
 
(3) Automotive MAP sensors
 
汽車用的MEMS壓力感測器是用於測量歧管壓力(manifold absolute pressure, MAP),此類感測器是利用壓電材料的電彈效應來量測壓力。透過ANSYS Multiphysics的耦合分析,整個MEMS研發過程降低了微製程成本,而工程師也能充分掌握設計原則。
 

ANSYS應用於MEMS岐管壓力感測器的壓電分析 (ANSYS, Inc.)
 
 
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