Диссертация (Маршрут автоматизации системного проектирования микрооптоэлектромеханических систем), страница 9

При необходимости модуль модифицируетсяи добавляется возможность задания характеристик применяемого материала,таких как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и пр.Разработан модуль автоматизации процесса получения структурыразрабатываемого устройства на основе введенных параметров, за счетприменения маршрута автоматизации системного проектирования МОЭМсистем на примере МОЭМ акселерометра на основе интерферометра ФабриПеро.583. Экспериментальное исследование распределенных МОЭМСна примере МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-ПероВ предыдущей главе рассмотрено получение математических моделеймеханической, оптической и электронной подсистем, а так же разработанныйалгоритм получения математической модели механической подсистемы иалгоритм повышения качества математической модели механическойподсистемы на примере МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо.В качестве альтернативного решения для механической подсистемырассмотримраспределенныйМОЭМакселерометрнаосновеинтерферометра Фабри-Перо.В настоящей главе рассмотрено многомасштабное моделированиемеханическойподсистемыраспределенногомикрооптоэлектромеханического акселерометра на основе интерферометраФабри-Перосприменениемразработанногоалгоритмаполученияматематической модели механической подсистемы МОЭМ акселерометра наоснове интерферометра Фабри-Перо.3.1 Получение математической модели механической подсистемыраспределенного МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-ПероРазработка конструкции распределенного МОЭМ акселерометра наосновеинтерферометраФабри-Перотесносвязанаспонятиемраспределенных систем.На рисунке 3.1 приведена геометрическая модель конструкциираспределенного МОЭМ акселерометра на основе интерферометра ФабриПеро.Основные особенности данной конструкции следующие:1.

Контрольные (измерительные) элементы не сосредоточены на одной59подвижной массе, что увеличивает отказоустойчивость, но усложняеттехнологический процесс производства подобной МОЭМ системы.2. Необходимость учета погрешностей обоих измерительных элементови выводу среднего изменения значения.3. Сохранена возможность применения системного подхода.Рисунок 3.1 – Геометрическая модель МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-ПероКонечный элемент, выбранный для исследования данной моделиSOLID186 – это твердотельный элемент с 20 узлами и 3 степенями свободы.На рисунке 3.2 приведена конечно-элементная модель распределенногоМОЭМ акселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо.60Рисунок 3.2 – КЭ модель распределенного МОЭМ акселерометра наоснове интерферометра Фабри-ПероФабриДалееприводитсяконструкциипримерраспределенногоэкспериментальногоМОЭМакселерометраисследованиянаосновеинтерферометра в программном комплексе ANSYS.3.22 Разработка программногопрограммного модуля, реализующегоразработанный алгоритм получения математической моделимеханической подсистемы МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-ПероПрограммныйкомплексANSYSпредоставляетвозможностьразработки модулей для встраивания в панели инструментов либо частичнойили полной замены имеющихся функций, кроме критически важных, навстроенном языке программирования APDL,, являющимся логическимразвитием языка FORTRAN.FORTRANОсновная концепция работы модуля – параметризация процессасозданиямеханическойеханическойподсистемымикрооптоэлектромеханическогоакселерометра.

Это достигается за счет введения специальных диалоговых61окон типа ‘ASK’ для получения параметров математической модели, такихкак габаритные размеры, свойства материала и т.п. На рисунке 3.3 приведенодиалоговое окно ‘ASK’.Рисунок 3.3 – Диалоговое окно ‘ASK’Диалоговоеокно‘ASK’применяетсядлязапросаодиночныхпараметров. В нашем случае рационально применить пакетный запроспараметров.

В листинге 3.1 приведен отрывок кода, запрашивающийнесколько параметров создаваемой модели в одном окне.Листинг 3.1 – Отрывок кода с пакетным запросом параметровmultipro,'start',3*cset,1,3,dx_m, 'Введите размер Х*cset,4,6,dy_m,' Введите размер Y*cset,7,9,dz_m,' Введите размер Z*cset,10,12,dx_f, 'Введите размер*cset,13,15,dy_f,' Введите размер*cset,16,18,dz_f,' Введите размерmultipro,'end'подвижной массы',0.0подвижной массы',0.0подвижной массы',0.0Х интерферометра',0.0Y интерферометра',0.0Z интерферометра',0.0Из листинга 3.1 видно, что полученные размеры математическоймодели и размеры интерферометра запоминаются в соответствующиепеременные, в случае если одна из переменных не будет задана, ейприсвоится значение близкое к нулю автоматически.Следующий шаг – назначение конечных элементов и заданиепараметров материала.

Поскольку модуль является исполняемым сценарием,то в коде модуля допускается применение стандартных команд назначенияконечных элементов и т.д. (‘ET,1,solid45’, ‘ET,2,solid122’) В качествеконечных элементов назначаем SOLID45 для механических нагрузок иSOLID122 для электростатических расчетов.После определения КЭ следует этап построения математической62модели. Данный этап так же описывается стандартными командамипостроения объемов.

Следует отметить, что для построения математическоймодели механической подсистемы использован метод вычитания объемов.Объемы создаются командой «BLOCK,x1,x2,y1,y2,z1,z2», где х1,х2 –координаты минимальной и максимальной точек по оси х; y1,y2 – по оси усоответственно; z1,z2 – по оси z.Далее сценарий автоматически производит построение грубой сеткиконечных элементов при помощи команды VMESH и затем прикладываетнагрузку по всей плоскости подвижной массы в виде ускорения по оси z.Далее производится наложение ограничений на подвижную массу, посколькуона представляет из себя заделку в рамке корпуса, соответственно на узлыначала подвижной массы накладываются ограничения перемещения ивращения.На следующем этапе проводится «быстрое» моделирование с учетомприложеннойнагрузки.Порезультатам«быстрого»моделированиякомандной *GET,M_1,V1,ELEM,COMPSTRS,VOLU производится получениематрицы напряжений для объема.

Следует учесть, что матрица являетсядвумерной,гдекаждыйстолбецопределяетзначениедеформацииопределенного типа X,Y,Z,dX,dY,dZ и т.д. Далее простейшим циклом ‘FOR’производится получение среднего арифметического значения деформациидляопределениясреднейграницы,наоснованиикоторойбудетпроизводиться отбор узлов минимальной и максимальной деформации.После получения среднего арифметического значения деформации,объявляются и инициализируются две матрицы, содержащие в себе номераузлов, которые имеют максимальную или минимальную деформацию,относительно найденного среднего арифметического.На основе полученной информации производится перебор узловмаксимальной деформации, их выделение командой ‘PICK’ и дальнейшееизменение плотности конечных элементов и размеров конечных элементовпошагово, вплоть до приближения к границе минимальных размеров63конечных элементов.

Следует отметить, что количество КЭ в конечноэлементной модели, после каждого шага, проверяется. Если количествопревысит 32665 элементов, то производится возврат к предыдущему шагу иразмерам и плотности КЭ и выход из итерационного цикла подбора размерови плотности КЭ.Далее, в соответствии с методикой проведения математическогомоделирования механической подсистемы, производится моделирование КЭмодели с модифицированной сеткой КЭ и получение собственных частот изсоответствующей матрицы.Затем производится расчет электростатической части математическоймодели для получения описания поведения математической модели на языкеVHDL-AMS. Файлы описания создаются и сохраняются автоматически врабочей директории ANSYS, заданной по умолчанию.В соответствии с разработанным алгоритмом (гл.2) на каждом этапепроводятсяпроверкиопределенныхпараметровизначений,дляпредотвращения ошибок, которые могут возникнуть при проведении каждогоэтапа математического моделирования вручную.3.3 Экспериментальные исследования конструкциираспределенного МОЭМ акселерометра в программном комплексеANSYSПервым шагом в исследовании конструкции распределенного МОЭМакселерометра является статический анализ, проведенный в диапазонеускорений от 1g до 100g.

Далее приводятся результаты статического анализаимодальногоанализадляконструкциираспределенногоМОЭМакселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо с параметрами,указанными в таблице 3.1, так же проведен модальный анализ с учетомтехнологической погрешности, допущенной по одному из параметров.64Таблица 3.1 – Параметры распределенного МОЭМ акселерометра наоснове интерферометра Фабри-ПероДлина подвижной массы (ось X)150 - 330 мкмШирина подвижной массы (ось Y)20 мкмТолщина подвижной массы (ось Z)20 мкмШирина и высота рамки450 мкмТолщина рамки50 мкмТолщина интерферометров15 мкмШирина и длинна интерферометров20 мкмУскорение в диапазоне+1g - + 100g с шагом 20gМатериалКремнийКоэффициент Пуассона0,266Модуль Юнга131 ГПаПлотность2330 кг/м3Технологический разброс±2,0 мкм, ширина подвижной массыДанные экспериментальные исследования были проведены повторнодля набора параметров распределенного МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-Перо.

Был выбран набор длин от 150 мкм до 330 мкмс технологической погрешностью в пределах ±2 мкм, ширина подвижноймассы 20 мкм с технологической погрешностью в пределах ±2 мкм итолщина подвижной массы 20 мкм с технологической погрешностью впределах ±2 мкм.На рисунках 3.4-3.5 показан примерный вид собственных частотмикроакселерометра после выполнения модального анализа на собственныхчастотах для длины подвижной массы 180 мкм, ширины 20 мкм и толщины20 мкм.65Рисунок 3.4 – Собственная форма при собственной частоте f1=565846 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкмРисунок 3.5 – Собственная форма при собственной частоте f2=569516 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкм66Далеепроведеноэкспериментальноеисследованиевлияниятехнологической погрешности в пределах ±2 мкм по ширине подвижноймассы на собственные частоты подвижной массы.

Для этого ппроводеныследующие экспериментальные исследования с построением 4-х моделей:1. Увеличение подвихных масс по ширине на 2 мкм.2. Уменьшение подвижных масс на 2 мкм.3 и 4. Уменьшение одной из подвижных масс на 2 мкм и увеличениедругой на 2 мкм.На рисунках 3.6 – 3.13 приведены результаты поиска собственныхчастот с учетом технологической дефектов 2 мкм на ширину подвижноймассы.Рисунок 3.6 – Собственная форма при собственной частоте f1=508433Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкм67Рисунок 3.7 - Собственная форма при собственной частоте f2=554998 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкмРисунок 3.8 – Собственная форма при собственной частоте f1=574547 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкм68Рисунок 3.9 – Собственная форма при собственной частоте f2=574737 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкмРисунок 3.10 – Собственная форма при собственной частоте f1=508369 Гцдля подвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкм69Рисунок 3.11 – Собственная форма при собственной частоте f2=574926 Гцдля подвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкмРисунок 3.12 – Собственная форма при собственной частоте f1=508422 Гцдля подвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкм70Рисунок 3.13– Собственная форма при собственной частоте f2=575104 Гц дляподвижной массы длины 180 мкм, ширины 20 мкм, толщины 20 мкмПосле проведения модального анализа, построены суммарные графикизависимости собственной частоты от технологического дрейфа (рис.