Simulação e Modelamento Comportamental de Sistemas

Simulação e Modelamento
Comportamental de Sistemas
Microeletromecânicos (PSI 5109)
Docente:
Gustavo Rehder
1o Perido – 2013
http://gnmd.webgrupos.com.br/ensino.
php
Design de MEMS
Acelerômetro
Microfone Digital
3 focos:
Sandia
– Demonstrador de tecnologia
– Ferramenta de pesquisa
– Produto comercial
Mercado, Impacto
Concorrência, Tecnologia,
Fabricação
Cantilevers
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
→
→
Níveis de Modelamento
Sistema
Diagrama de blocos
e/ou elementos
discretos
Comportamento
dinâmico do
sistema
Dispositivo
Macromodelos ou
modelos de ordem
reduzida
Essência do
comportamento
físico
Física
Analítico
ou
Numérico
Comportamento
de dispositivos
reais em 3D
Máscaras e
etapas
Geometria,
propriedades de
materiais
Processo
Modelamento nos Diversos Níveis
Simulação 3D por
Elementos Finitos
Macromodelo do
Dispositivo
Simulação do
sistema
Resultados
Modelamento de Sistema
Modelo de ordem reduzida (Macromodelo) determinado
analitica- ou empiricamente
Vantagens
–Simulação rápida
–Ajuste fácil de parâmetros
–Simulação do sistema completo
(circuito de controle, sensoriamento)
–Ferramentas de simulação (Monte
Carlo, sensibilidade)
Simulink
Coventor
ANSYS
Macromodelo
FEM
Análise Modal
Criação do
Macromodelo
Importar
modelo para
simulação de
sistema
Exemplo CoventorWare
Método de Simulação
Tempo de Simulação
FEM/BEM 682 elementos
2.5 horas
FEM/BEM 1176 elementos
8 horas
Modelo de Sistema
< 2 segundos
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
Simulação Analítica
Vetor de deslocamento/deformação
Vetor de força
Compliance Matrix
Simulação Numérica
•ANSYS Multiphysics
•Comsol
•CoventorWare
•IntelliSuite
Simulação do Processo
CoventorWare
Simulação do Processo
Estrutura Inicial
Depois de difusão
Depois de corrosão Depois de deposição
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
Correlação
Peda de Inserção (dB)
MEMS
Switch
Paramêtros S
Detetor
Carga
RF
Detetor
Sistema de Teste
Envelope
Vouton Voutoff
Vouton/Vinon
Medida - Correlação
Predição
Comparação
Isolation Prediction
0
Medida
-10
S12  2    Copen  Z 0
S12 off (dB)
-20
-30
-40
Predição
-50
-60
-70
0
1
2
3
4
5
6
Frequency (GHz)
7
8
9
10
Estudo de Caso: Modelo
Comportamental
Acionamento
(Baixa Frequência)
Modelo
Eletromecânico
Position
Sinal RF Modulado
Sinal RF
(Alta Frequência)
Modelo RF
Modelo Eletromecânico
Equação de Acoplamento Eletromecânico
Modelo da
Estrutura
mecânica
Agilent ADS
Tensão de Contato
Modelo RF
Posição
Capacitor Variável
Modelo RF
Fréquence
100 MHz
1 GHz
Temps de Simulation
111 s
1473 s
Simulação Parâmetros S
Simulação Monte
Carlo Correlação alta e
baixa frequência