Диссертация (Маршрут автоматизации системного проектирования микрооптоэлектромеханических систем), страница 3

Баумана.Апробацияконференциях:работы.Работамеждународныхапробированамолодежныхнаследующихнаучно-техническихконференциях «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы», г.Москва, 2011-2013 г. г., Всероссийских школах-семинарах студентов,аспирантов и молодых ученых по направлению "Наноинженерия", г. Калуга,2009-2011 гг. В 2012 году присуждена стипендия Президента РФ. Такжеработа удостоена различных медалей и дипломов, в том числе медалью залучшую научную работу XII конференции «Будущее машиностроенияРоссии» 2010 г.

и дипломом первой степени III всероссийской школысеминара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению"Наноинженерия" (2010 г.), 10-я международная конференция «Аналоговыеполупроводниковыеустройстваимикросистемы2014»,Словакия,г.Смоленице.Публикации. По материалам и основному содержанию диссертацииопубликовано 9 печатных работ в трудах конференций и 2 статьи в журналахиз списка ВАК, а так же публикация в сборнике трудов международнойконференции.12Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит извведения, четырех глав, заключения.

Общий объем работы 105 страниц,содержит57рисунков,списокиспользованныхнаименования.13источниковиз511. МАРШРУТ МОДЕЛИРОВАНИЯМИКРООПТОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕММаршрут автоматизации системного проектирования МОЭМС и, какрезультат, получение структуры МОЭМ системы, состоит из несколькихпоследовательных этапов.МОЭМ системы основаны на совмещении механических, оптических иэлектронныхэффектов.Вкачествепримеравзятмикрооптоэлектромеханический акселерометр на основе интерферометраФабри-Перо. Основной принцип действия зависимость интерференциисветового луча от перемещения механической подсистемы. Изменениеспектра фиксируется при помощи электронной подсистемы и приводится кнекоему виду данных, удобных для считывания.Первоначально создается несколько вариантов реализации МОЭМС, тоесть начальное графическое представление объекта — структуры, схемы иалгоритмы.

В качестве подсистемы для математического моделированиявыделена механическая подсистем МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-Перо.Существующие методы моделирования систем необходимо разделитьна адекватные и неадекватные методы. Под неадекватными методамиподразумевается несоответствие возможностей методов и применяемыхтребований. Критерии отсева неадекватных методов:-невозможноучестьоптическиеэффектывзависимостиотвоздействий окружающей среды при взаимодействии с механическимиподсистемами;-универсальность применения для моделирования схожих погеометрическим формам объектов, но относящихся к непересекающимсяобластям микроэлектроники;-невозможностьмоделированиявединомциклеподсистем, основанных на различных физических эффектах;- ограничения по размерным параметрам.14несколькихВсе изложенное заставляет разрабатывать принципиально новыеалгоритмы математического моделирования механической, оптической иэлектронной подсистем, а так же получения структуры устройства послепрохождения маршрута автоматизации системного проектирования сложныхмикрооптоэлектромеханических систем.

Для того чтобы математическаямодель сложной системы адекватно отражала создаваемую систему,необходимопроанализироватьосновныепроблемыматематическогомоделирования сложных систем, которые будут рассмотрены далее.1.1 Обзор подходов к математическому моделированию МЭМС вразличных программных продуктахМаршрут автоматизации системного проектирования МОЭМС дляполучения структуры устройства включает в себя этапы математическогомоделирования механической, оптической и электронной подсистем, тонеобходимо определить набор программных продуктов, которые будутприменены для проведения математического моделирования.Существует широкий спектр программных продуктов и комплексов,позволяющих проводить математическое моделирование разрабатываемыхустройств.При жестких требованиях к конструкции устройства: геометрическиеразмеры, материал, и т.д., этап параметрического синтеза определяетосновные параметры устройства.

Влияние параметров на выходныехарактеристики исследуется на этапе математического моделирования.Основные методы получения структуры разрабатываемого устройства:1. Структурный синтез;2. Параметрический синтез.Структурный синтез подразумевает разработку множества различныхконструкций и поиск конструкций, удовлетворяющих заданных требованиям:геометрические размеры менее 500 мкм., кремний в качестве материалаисполнения,сложностьтехнологического15процессапроизводстваконструкции и т.д.На этапе параметрического синтеза отыскиваются значения параметровобъекта, находятся их численные значения.На рисунке 1.1 приведена карта противоречий.Высокая точностьВысокая скоростьАдекватностьмоделированияматематической моделимоделированияПроблемымногомасштабногомоделированияВысокая скоростьматематическогомоделированияВысокая точность математическоймодели и результатовмоделированияСкорость математическогоНизкая точностьВысокая скоростьмоделированияматематической моделимоделированияРисунок 1.1 – Карта противоречий проблем подходов многомасштабногоматематического моделированияКарта противоречий на рисунке 1.1 показывает, что перебор большогочисла конструкций, с последующим уточнением их параметров при заданнойвысокойточностиматематическойрасчетамоделипараметровзначительноисоблюденииповыситадекватноститрудоемкостьиресурсоемкость данной задачи.

Снижение требований к адекватностиматематической модели и точности расчетов приведет к ускорению процессаполучения проектного решения, но приведет к значительным расхождениямв поведении реального устройства и математической модели. Таким образомможно выявить два подхода:1. Качественный подход – основан на исследовании небольшого числаконструкций при адекватности модели и точности расчетов.2.

Количественный подход – перебор возможных конструкций иприблизительное выявление характеристик, попадающих в указанныйтребованиями диапазон.16Совмещение данных подходов, выведенных из карты противоречий исинтез проектного решения, удовлетворяющего основным требованиям,приводиткнеобходимостиразработкиалгоритма,повышающегоэффективность методов моделирования механических систем МОЭМакселерометров, на основе интерферометра Фабри-Перо.1.2 Обзор методов моделирования микроэлектромеханических систем1.2.1 Обзор методов моделирования механических подсистем припомощи решения дифференциальных уравнений при помощи методаконечных элементов.

Развитиематематическогомоделированиянеразрывно связано с развитием математических методов описания объектов,посколькудляописанияповеденияустройстваприменяютсядифференциальные уравнения в частных или общих переменных [1,2] n-гопорядка.Сложность математического моделирования состоит в созданииадекватной математической модели, которая должна точно отражать то, какдолжно выглядеть устройство, а так же позволять получать достоверныерезультаты после моделирования с приложением определенных нагрузок.Основной метод, применяемый для решения дифференциальных уравнений,описывающих математическую модель, является метод конечных элементов[3,4].Метод конечных элементов (МКЭ) - основной метод современнойстроительной механики, лежащий в основе подавляющего большинствасовременных программных комплексов, предназначенных для выполнениярасчетов строительных конструкций на ЭВМ [5,6,7].Метод конечных элементов, как и многие другие численные методы,основан на представлении реальной конструкции ее дискретной моделью изамене дифференциальных уравнений, описывающих НДС сплошных тел,системой алгебраических уравнений.

Вместе с тем МКЭ допускает яснуюгеометрическую, конструктивную и физическую интерпретацию [8].17Для простых устройств и конструкций, основанных на одном типефизических эффектов, достаточно проводить математическое моделированиев рамках одного программного комплекса.Для устройств, основанных на сочетании различных физическихэффектов, таких как оптические и механические, или оптические,механические и электрические, необходимо проведение более сложныхвидов анализа, помимо анализа реакции на нагрузки. К таким видам анализаотносится поиск собственных значений при анализе математической моделии поиску мод с применением блочного метода Ланцоша [2,4,9,10,11].Для моделирования механических систем применяется программныйкомплекс ANSYS. Данный программный комплекс позволяет проводитьразличныевидыанализовприразличныхнагрузках.Основнымпреимуществом данного программного комплекса является применение длярасчетов метода конечных элементов [12].Разбиение математической модели в программном комплексе ANSYSавтоматизировано.