background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     1 

 

Ćwiczenie nr 4 
Badanie czujnika piezorezystancyjnego 
 
Cel ćwiczenia: 
Celem  ćwiczenia  jest  przeprowadzenie  badań  symulacyjnych  wpływu  wymiarów  geometrycznych 
czujnika piezorezystancyjnego na wartość napięcia wyjściowego U

o

 poddanego działaniu ciśnienia p 

o określonej wartości, określić wpływ zmiany ciśnienia p na zmianę wartości napięcia wyjściowego 
U

o

 
4.1. Wstęp wstępne 
Czujniki  piezorezystancyjne  wykorzystują  efekt  zmiany  rezystancji  materiału  pod  wpływem 
działającego  ciśnienia.  Cechują  się  dużą  trwałością,  szerokim  zakresem  ciśnień  i  małymi 
rozmiarami.  Proces  produkcji  tych  czujników  jest  prostszy  i  tańszy  niż  czujników 
pojemnościowych (mniej etapów technologicznych, mniej masek itp.). 
 
Badany  czujnik  piezorezystancyjny  jest  wykonywany  z  materiału  półprzewodnikowego  typu  p  w 
kształcie  dwóch  nałożonych  na  siebie  prostokątów  pod  kątem  prostym.  Umieszczone  są  one  na 
podłożu  wykonanym  z  materiału  przewodnikowego  typu  n.  Widok  poglądowy  badanego  czujnika 
pokazano na rysunku 1. 

 

Rys.1 Widok badanego czujnika piezorezystancyjnego 
Długość  czujnika  L  mierzymy  wzdłuż  osi  X  ukierunkowanej  poprzez  strukturę  krystaliczna  krzemu. 
Sam  piezorezystor  ma  kształt  prostokąta  o  długości  L  i  szerokości  W  z  dwoma  elektrodami 
umieszczonymi  na  jego  końcach.  Dla  uzyskania  maksymalnej  czułości  zmiany  naprężeń, 
piezorezystor  jest  obrócony  o  kąt  45

°  względem  osi  X.  Napięcie  zasilające  U

in

  jest  przyłożone 

pomiędzy  elektrody  umieszczone  na  końcach  prostokąta  o    długości  L  (oś  X).  Na  wskutek 
przyłożonego  napięcia  pomiędzy  elektrodami  płynie  określona  wartość  prądu  I.    Naprężenie  w 
materiale rezystora spowodowane zmianą ciśnienia p wytwarza w osi Y pole elektryczne. Napięcie 
wyjściowe  U

out

  powstałe  na  skutek  pojawianie  się  pola  elektrycznego  mierzone  jest  na  dwóch 

dodatkowych elektrodach o wymiarach następujących a x b. 
Do  wyznaczenia  wartości  napięcia  U

out

  możemy  zastosować  metody  analityczne  lub  numeryczne 

oparte  o  metodę  elementów  skończonych.  W  badanym  przypadku  zostanie  zastosowana  metoda 
numeryczna. 
4.2 Właściwości materiałowe  
Z  uwagi  na  niewielkie  rozmiary  czujnika  wszystkie  właściwości  materiałowe  jak  również  wymiary 
geometryczne  będą  podawane  w  systemie  jednostek  µMKSV.  Jest  to  system metryczny  w  którym 
jednostką  podstawową  jest  1µm.  System  ten  jest  dedykowany  do  analizy  zagadnień  związanych 
m.in. z MEMS-ami. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     2 

 

Właściwości materiałowe krzemu: 

• 

Współczynniki macierzy sztywności, MN/m

2

 

o

  c11=165.7e3 

o

  c12=63.9e3 

o

  c44=79.6e3 

• 

rezystywność półprzewodnika typu p – 7.8e-8 Ωµm 

• 

współczynniki piezoelektryczne półprzewodnika typu p, (MPa)

-1

 

o

  π11=6.5e-5 

o

  π12=-1.1e-5 

o

  π44=138.1e-5 

 

Wymiary geometryczne piezorezystora: 

• 

Szerokość piezorezystora W = 57 µm 

• 

Długość piezorezystora L = 1.5 W 

• 

Szerokość elektrody pomocniczej b = 23µm 

• 

Długość elektrody pomocniczej a = 2b 

• 

Długość boku kwadratowego podłoża na którym jest umieszczony centralnie piezorezystor S 
= 2L 
 

Wymuszenia: 

• 

Napięcie zasilające U

in

 = 5V 

• 

Ciśnienie p w osi X (ale podłoża – nie czujnika) do wytworzenia naprężenia (S

x

) = -10 MPa 

 
4.2 Krótkie wprowadzenie do programu FEM 
Uruchamiamy  program  FEM  służący  do  analizy  zagadnień  sprzężonych  metodą  elementów 
skończonych  (Ansys  Product  Launcher).  Okno  to  umożliwia  m.in.  wybór  katalogu  roboczego, 
zdefiniowanie nazwy pliku roboczego (domyślna nazwa file), wybór środowiska symulacji (powinno 
być  Ansys).  Następnie  klikamy  na  przycisk  Run  aby  uruchomić  środowisko  programu  Ansys.  W 
trakcie wykonywania ćwiczenia należy pamiętać o jednej podstawowej zasadzie która obowiązuje w 
tym  środowisku  pracy.  Program  nie  posiada  możliwości  cofnięcia  raz  wykonanego  polecenia!!!! 
Osoba  mająca  doświadczenie  może  usunąć  skutki  błędnego  polecenia  korzystając  z  polecenia 
Delete chociaż nie jest to w wielu przypadkach takie proste.  

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     3 

 

 

W  trakcie  typowej  pracy  z  programem  zazwyczaj  wykorzystuje  się  panel  znajdujący  się  po  lewej 
stronie  oraz  główne  menu.  Osoby  lepiej  znające  program  dodatkowo  wykorzystują  linię  poleceń 
(najefektywniejsza metoda pracy). 
W bocznym lewym panelu znajdują się liczne zakładki. W większości przypadków praca ogranicza się 
tylko do czterech z nich: 

• 

Preprocesor  który  służy  do  definiowania  parametrów,  tworzenia  geometrii,  określania 
właściwości materiałowych oraz definiowania warunków brzegowych oraz wymuszeń. 

• 

Solution  jak  sama  nazwa  sugeruje  służy  najczęściej  do  rozwiązywania  wcześniej 
zdefiniowanego zagadnienia. 

• 

General Postprocesor służy ogólnie do oglądania i zapisywania wyników. 

• 

TimeHist  Postprocesor    służy  ogólnie  do  oglądania,  obliczania  i  zapisywania  wyników 
obliczeń w funkcji czasu. 

 
 
4.3. Rozwiązanie zagadnienia metodą polową 
 
4.3.1.  Po  uruchomieniu  programu  zmienimy  domyślny  system  jednostek  z  MKSV  na  µMKSV.  Z 
lewego panelu bocznego rozwijamy zakładkę Preprocesor, a następnie Material Props. Wybieramy 
pozycję  Electromag  Unit.  W  oknie  dialogowym  Electromagnetic  Unit  wybieramy  opcję  User-
defined i zatwierdzamy przyciskiem ok. 

 

W systemie µMKSV przenikalność elektryczna powietrza (free-space permittivity) wynosi ε

o

=8.854e-

6pF/µm, natomiast przenikalność magnetyczna powietrza (free-space premeablity) wynosi 1.256e-
25 TH/µm. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     4 

 

 

4.3.2.  Nadajemy  nazwę  dla  analizy  jako  „Analiza  piezorezystora  L.  .  grupa..”  .  W  miejsce  kropek 
wprowadzamy  dane  odpowiednie  dla  swojej  grupy  laboratoryjnej.  Wprowadzona  nazwa  będzie 
widoczna w lewym dolnym rogu obszaru roboczego. 

 

 

4.3.3.  Wprowadzimy  teraz  parametry  które  będą  niezbędne  do  utworzenia  modelu 
geometrycznego:  W=57,  L=1.5*L,  b=23,  a=2*b,  S=2*L.  Parametry  możemy  wprowadzać  w  oknie 
dialogowym  Scalar  Parameters  każdorazowo  zatwierdzając  wprowadzenie  przyciskiem  Accept  lub 
wprost w linii poleceń potwierdzając wprowadzenie klawiszem Enter.  

 

4.3.4.  W  ten  sam  sposób  wprowadzamy  parametry  związane  z  właściwościami  materiałowymi 
krzemu (jednostka MN/m

2

). Macierz sztywności ma postać następującą: 

[c11 c12 c12   0] 

[c12 c11 c12  0] 
[c12 c12 c11  0] 
[0    0    0    c44] 

gdzie: c11=16.57e4, c12=6.39e4, c44=7.96e4. 
Rezystywność półprzewodnika typu p (TΩ*µm):  
Rho=7.8e-8 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     5 

 

Macierz  współczynników  piezorezystancyjne  dla  półprzewodnika  typu  p  (MPa)

-1

  ma  postać 

następującą: 
[p11 p12 p12   0  ] 
[p12 p11 p12   0  ] 
[p12 p12 p11   0  ] 
[0       0     0    p44] 
gdzie: p11=6.5e-5, p12=-1.1e-5, p44=138.1e-5. 
4.4.5. Wprowadzimy teraz parametry związane z wymuszeniami.  
Jako  wymuszenie  od  strony  mechanicznej  wprowadzamy  ciśnienie  p=10    (jednostka  MPa). 
Wymuszenie elektryczne wynosi U

in

=5 (jednostka V). 

 

Po zdefiniowaniu parametrów niezbędnych do przeprowadzenia analizy przechodzimy do określenia 
odpowiednich  typów  elementów  i  ich  ustawień.  Każdy  typ  elementu  jest  przeznaczony  do 
rozwiązywania  konkretnych  zagadnień.  Dodatkowo  niewłaściwe  ustawienia  nawet  poprawnie 
wybranego elementu mogą nawet uniemożliwić przeprowadzenie analizy czy też powodować błędy. 
4.4.6. Z Preprocesora rozwijamy zakładkę Element Type. Wybieramy Add/Edit/Delete.  

 

Naciśniecie  przycisku  Add  spowoduje  otworzenie  okna  Library  of  Element  Type.  Odszukujemy 
pozycje  grupującą  elementy  przeznaczone  do  analizy  zagadnień  sprzężonych  Coupled  Field  i  z 
prawej  strony  wybieramy  element  Quad  8node  223.  Jest  to  element  przeznaczony  do  analizy 
elementów piezorezystancyjnych. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     6 

 

 

Po  dodaniu  tego  elementu  dodamy  jeszcze  związany  z  analizą  wytrzymałościową.  Znajdziemy  taki 
element w grupie elementów podgrupie Solid (grupa Structural Mass). Wybieramy element Quad 
8node 183. 

 

4.4.7.  Element  Plane223  wymaga  zmiany  domyślnych  ustawień.  W  tym  celu  zaznaczamy  element 
Plane223  i  naciskamy  na  przycisk  Options.  W  oknie  właściwości  elementu  Plane223  (PLANE223 
element  type  options)  ustawiamy  typ  analizy  (Analysis  Type  K1)  jako  Piezoresistive.  Pozostałe 
ustawienia  elementu  pozostawiamy  domyślne.  Dla  elementu  Plane183  pozostawiamy  ustawienia 
domyślne. 

 

4.4.8.  Materiał  będzie  wymagał  odpowiedniej  orientacji.  Wymaga  to  zdefiniowania  lokalnego 
układu współrzędnych kartezjańskich. Generalnie wszystkie układy współrzędnych w programie nie 
posiadają  nazwy  jako  takiej  a  jedynie  oznaczenie  cyfrowe  (np.  0-  kartezjański,  1-  biegunowy). 
Dodatkowo numeracja lokalnych układy współrzędnych rozpoczyna się od cyfry 11 w górę. W menu 
górnym  w  zakładce  WorkPlane  wybieramy  Local  Coordinate  Systems→Create  Local  CS→At  WP 
Orgin. W ten sposób założymy układ lokalny który pokryje się z globalnym układem kartezjańskim 
(domyślnym, stałym i niezmiennym). 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     7 

 

 

4.4.9. Następnie założymy drugi układ lokalny którego oś X będzie przesunięta o kąt 45

° względem 

osi X układu 11. Tym razem w zakładce WorkPlane wybieramy Local Coordinate Systems→Create 
Local  CS→At  Specifield  Loc.  Spowoduje  to  otworzenie  okna  Create  CS  at  Location.  W  oknie 
zaznaczamy  opcję  WP  Coordinates  i  wskazujemy  w  obszarze  roboczym  na  początek  układu 
współrzędnych. To spowoduje otworzenie okna dialogowego Create Local CS at Specifield Location. 
Zmieniamy w nim numer układu na 12 oraz parametrowi THXY nadajemy wartość 45

°. 

 

 

 

Definiowanie właściwości materiału 
4.4.10. W bocznym panelu wybieramy Preprocesor→Material Props →Material Models co otworzy 
okno  dialogowe  Define  Material  Model  Behavior.  Z  dostępnych  modeli  wybieramy 
Structural→Linear→Elastic→Anisotropic.  Otworzy  to  okno  Anisotropic  Elasticity  for  Material 
Number  1  które  umożliwia  zdefiniowanie  macierzy  sztywności.  Ustawiamy  opcję  macierzy  jako 
Stiffness  form    i  wpisujemy  w  poszczególne  pola  wprowadzone  wcześniej  parametry:  D11=c11, 
D12=c12,  D13=c12,  D22=c11,  D23=c12  ,  D33=c11  oraz  D44=c44.  Po  wprowadzeniu  danych 
zatwierdzamy je przyciskiem ok.  

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     8 

 

 

Pozostostają  dalej  w  edytorze  materiałów  określamy  rezystywność  materiału  o  numerze  1. 
Wybieramy Electromagnetics→Resistivity→Constant. W oknie dialogowym Resistivity for Material 
Number  1  wprowadzamy  wartość  w  postaci  parameteru  rho.  Zatwierdzamy  operacje  przyciskiem 
ok. 

 

Pozostaje  jeszcze  zdefiniować  macierz  współczynników  piezorezystancyjnych.  Wybieramy 
Piezoresistivity→Piezoresistive  matrix.  W  oknie  Piezoresistive  Matrix  for  Material  Number  1 
wprowadzamy  w  pola  jak  pokazano  poniżej  wcześniej  zdefiniowane  parametry.  Zatwierdzamy 
operację.  

 

Widok  edytora  materiałów  w  którym  zdefiniowano  wszystkie  wymagane  właściwości  pokazano 
poniżej. Po ukończeniu definiowania właściwości piezorezystora należy bezwzględnie zamknąć okno 
edytora materiału.  
W  przypadku  nie  wykonania  tej  czynności  program  będzie  dalej  w  trybie  edycji  materiału  i  nie 
pozwoli na dalsze wykonywanie instrukcji!!!! 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     9 

 

 

 
Tworzenie geometrii 
4.4.11.  Przed  rozpoczęciem  tworzenia  geometrii  ustawiamy  aktualny  układ  współrzędnych  jako 
lokalny  układ  współrzędnych  o  numerze  12.  Wybieramy  z  górnego  menu  Change  Active  Cs 
to→Specifield Coord Sys … W oknie Change Active CS to Specifield CS wpisujemy liczbę 12 która 
odpowiada naszemu układowi współrzędnych. 

 

 
4.4.12.  Geometrię  budujemy  metodą  najprostszą  czyli  określimy  punkty.  W  bocznym  panelu 
wybieramy  Modeling→Create→Keypoint  in  Active  CS.  W  oknie  dialogowym  Create  Keypoints  In 
Active  Coordinate  System  wprowadzamy  punkty  charakterystyczne  naszego  modelowanego 
obiektu:  P1(b/2,W/2+a),  P2(b/2,W/2),  P3(L/2,W/2),  P4(L/2,-W/2),  P5(b/2,-W/2),  P6(b/2,-W/2-a), 
P7(-b/2,-W/2-a), P8(-b/2,-W/2), P9(-L/2,-W/2), P10(-L/2,W/2), P11(-b/2,W/2), P12(-b/2,W/2+a). 

 

4.4.13. Po wprowadzeniu wszystkich punktów i maksymalnym przybliżeniu okno robocze powinno 
wyglądać jak pokazano na rysunku poniżej. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     10 

 

 

4.4.14.  Utworzymy  teraz  powierzchnię  przekroju  czujnika  wykorzystując  metodę  wskazywania 
wierzchołków. Program automatycznie utworzy powierzchnię pomiędzy wskazanymi wierzchołkami. 
Wybieramy  z  panelu  bocznego  Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through  KPs.  Wskazujemy 
punkty od 1 do 12.  

 

Po  prawidłowym  wskazaniu  poszczególnych  punktów  powinniśmy  uzyskać  przekrój  powierzchni 
naszego czujnika. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     11 

 

 

4.4.15. Pozostaje  jeszcze do utworzenia podłoże na którym umieszczony  jest modelowany czujnik. 
Do  tego  celu  wykorzystamy  metodę  bezpośredniego  tworzenia  powierzchni  prostokątnych  na 
podstawie zadanych wymiarów.  
Przed wykonaniem polecenia ustawiamy  jako lokalny układ współrzędny o numerze 11  jako układ 
aktywny. 

 

Wybieramy z panelu Modeling→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions. W oknie dialogowym 
Create Rectangle by Dimensions wprowadzamy współrzędne dwóch wierzchołków (-s/2, -s/2) oraz 
(s/2,s/2) i zatwierdzamy wprowadzone współrzędne. 

 

Po wykonaniu polecenia w obszarze roboczym powinny pojawić się dwie powierzchnie jak pokazano 
na rysunku poniżej. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     12 

 

 

4.4.16.  Pozostawienie  geometrii  modelu  w  takiej  postaci  jest  błędne.  W  tym  momencie  dwie 
powierzchnie  z  których  jedna  przykrywa  drugą.  Aby  wyeliminować  ten  błąd  należy  wykorzystać 
technikę 

algebry 

Boolean 

overlapingu. 

bocznym 

panelu 

zaznaczamy 

Preprocesor→Modeling→Operate→Booleans→Overlap→Areas.  W  oknie  dialogowym  Overlap 
Areas  klikamy  na  przycisk  Pick  All  ponieważ  chcemy  przeprowadzić  operacje  na  wszystkich 
powierzchniach  (czyli  w  tym  przypadku  dwóch).  Po  wykonaniu  polecenia  powinniśmy  otrzymać 
również  dwie  powierzchnie,  ale  powierzchnia  podłoża  powinna  otaczać  czujnik.  Tym  sposobem 
drogi studencie ten etap modelowania należy uznać za zakończony sukcesem . Jeżeli pozostało ci 
do końca zajęć więcej niż 60 minut masz duże szanse wykonać to ćwiczenie w całości ☺. 

 

 
Tworzenie siatki elementów – dyskretyzacja modelu 
4.4.17.  Układy  współrzędnych  są  nie  tylko  potrzebne  w  trakcie  tworzenia  geometrii.  Czasami  są 
również stosowane w modelach dyskretnych do określania np. anizotropowości materiału. Materiał 
z którego wykonany jest piezorezystor anizotropowy. Musimy zatem zdefiniować układ odniesienia 
dla elementu który będzie przypisany piezorezystorowi (Plane223). Wybieramy z bocznego panelu 
Preprocesor→Modeling→Create→Elements→Elem  Attributes.  W  oknie  dialogowym  Element 
Attributes wybieramy dla opcji ESYS  układ o numerze 12 jak pokazano poniżej 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     13 

 

 

4.4.18.  W  trakcie  tworzenia  siatki  musimy  zdefiniować  jej  gęstość.  Istnieje  wiele  metod 
definiowania  gęstości  siatki.  My  zastosujemy  metodę  która  ma  zastosowania  do  tworzenia  siatek 
jednorodnych.  Zdefiniujemy  podział  powierzchni  na  elementy  o  określonej  długości  krawędzi.  Z 
bocznego  panelu  wybieramy  Preprocesor→Meshing→Size  Cntrls→ManualSize→Global→Size.  W 
oknie  dialogowym  Global  Element  Sizes  ustalamy  rozmiar  elementu  jako  b/4.  Należy  jednak 
pamiętać, że poszczególne fragmenty siatki mogą mieć różne gęstości. Rozmiar elementu b/4 będzie 
odnosił się do samego piezorezystora a nie do jego podłoża. 
 

 

Domyślnym  typem  elementu  jest  Type=1    (ustawienie  widoczne  na  samym  dole  ekranu)  co 
odpowiada  elementowi  (Plane223).  Aby  wykonać  podział  powierzchni  na  elementy  dyskretne  z 
bocznego panelu wybieramy Preprocesor→Meshing→MeshTool. Otworzy to okno dialogowe Mesh 
Tool. Ponieważ chcemy, aby elementy dyskretne były elementami trójkątnymi – wybieramy kształt 
(Shape)  jako  Tri (trójkąt). Z uwagi na nieregularny kształt powierzchni musimy wybrać dodatkowo 
opcję Free. Po wyborze tych ustawień naciskamy przycisk Mesh.  

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     14 

 

 

Spowoduje to otworzenie okna dialogowego Mesh Area. Okno pozwala wybierać w sposób ręczny 
powierzchnie przeznaczone do dyskretyzacji. Wskazujemy kursorem powierzchnię piezorezystora. Z 
uwagi na większą ilość dostępnych powierzchni pojawi się dodatkowe okno Multiple_Entities. Jeżeli 
poprzednie kroki zostały wykonane zgodnie z instrukcją powierzchnia piezorezystora ma numer 1. 
Akceptujemy wybór zaznaczenia. 

 

Po  wyborze  powierzchni  w  oknie  dialogowym  Mesh  Area  dokonujemy  akceptacji  polecenia. 
Program  przystępuje  do  tworzenia  siatki  elementów.  Czas  jaki  jest  niezbędny  do  wykonania  tego 
polecenia  silnie  zależy  od  rodzaju  geometrii,  ilości  powierzchni  oraz  gęstości  siatki.  Analizowany 
przypadek jest bardzo prosty zatem czas potrzeby na wykonanie polecenia bardzo krótki. Ogólnie w 
miarę  możliwości  należy  ograniczać  liczbę  elementów.  Skraca  to  czas  rozwiązania  zagadnienia. 
Widok siatki samego piezorezystora pokazano poniżej. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     15 

 

 

4.4.19. Pozostała jeszcze do utworzenia siatka na podłożu. Zwiększymy jednak rozmiar elementów 
przypisanych tej powierzchni z b/4 na b/2. 

 

4.4.20.  Ponieważ  podłoże  na  którym  został  umieszczony  piezorezystor  ma  inne  właściwości 
materiałowe  musimy  zmienić  rodzaj  elementu  z  Type=1  na  Type=2  (Plane183).  Wybieramy  z 
bocznego  panelu  Preprocesor→Modeling→Create→Elements→Elem  Attributes  i  zmieniamy  typ 
aktywnego elementu z Plane223 na Plane183. 
 

 

4.4.21.  Następnie  podobnie  jak  dla  powierzchni  piezorezystora  dokonujemy  podziału  powierzchni 
podłoża. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     16 

 

 

Widok końcowy siatki modelu pokazano poniżej (z włączoną opcją wyświetlania typu elementu). 

 

 

Przypisywanie wymuszeń i warunków brzegowych 
Jest  to  jeden  z  trudniejszych  kroków  analizy.  Niewłaściwie  wykonany  może  uniemożliwić  dalszą 
analizę lub spowodować duże błędy. 
Wymuszenia  i  warunki  brzegowe  można  przypisywać  zarówno  modelom  ciągłym  (przed 
dyskretyzacją metoda pośrednia) lub już po utworzeniu siatki elementów (metoda bezpośrednia). W 
tym  przypadku  zastosujemy  metodę  bezpośrednią  polegająca  na  przypisywaniu wymuszeń  wprost 
węzłom siatki. 
4.4.22. W  pierwszym  kroku  przypiszemy wymuszenie  elektryczne w  postaci  przyłożonego  napięcia 
pomiędzy  dwiema elektrodami.  Dla  ułatwienia  zagadnienia  ustawiamy  jako  aktywny  lokalny  układ 
współrzędnych o numerze 12.  

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     17 

 

 

Do zaznaczenia węzłów siatki na  jednej z krawędzi z elektrodą piezorezystora wykorzystamy  dość 
rozbudowany  filtr  selekcji.  Uruchamiamy  z  głównego  menu  Select→Entities  ….  Otworzy  to  okno 
dialogowe  filtracji  Select  Entities.  Domyślnie  program  oferuje  zaznaczanie  węzłów  siatki  (Node) 
metodą wskazywania na ekranie (By num/Pick). Zmieniamy metodę wskazywania na lokalizację (By 
Location). Będziemy wskazywali węzły po lokalizacji wzdłuż aktywnego układu współrzędnych (12). 
Zaznaczamy  w  pierwszym  kroku  zaznaczanie  po  współrzędnej  X.  Jako  wartość  współrzędnej 
wpisujemy  wartość  –L/2  (patrz  rysunek  poglądowy  na  początku  instrukcji).  Wybieramy  wszystkie 
węzły jakie są dostępne w modelu (opcja From Full) i naciskamy przycisk Apply. Program wykonuje 
zaznaczenie,  ale  dalej  pozostajemy  w  trybie  zaznaczania.  Następnie  wybieramy  zaznaczanie  po 
współrzędnej Y. Jednak zaznaczanie po współrzędnej Y (-W/2, W/2) będzie ograniczać liczbę węzłów 
tylko do interesującej nas krawędzi. W tym celu wybieramy opcję Reselect. Akceptujemy polecenie 
przyciskiem  ok.  Po  wykonaniu  polecenia  powinniśmy  mieć  zaznaczone  tylko  węzły  leżące  na 
interesującej nas krawędzi piezorezystora (Plot→Nodes). 
 

 

Po  wykonaniu  tego  polecenia  powinniśmy  mieć  zaznaczone  tylko  węzły  na  jednej  z  krawędzi 
piezorezystora do której zamierzamy przełożyć potencjał dodatni. 

Przed 

   Po

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     18 

 

4.4.23. Zaznaczone węzły musimy połączyć ze sobą ponieważ stanowią one jedną elektrodę. W tym 
celu  z  bocznego  panelu  wybieramy  Preprocesor→Coupling/Ceqn  Preprocesor→Couple  DOFs. 
Otworzy to okno dialogowe  wyboru Define Couple DOFs w którym wybieramy opcję Pick All. 

 

Pojawi się następnie kolejne okno dialogowe  Define Couple DOFs w którym ustawiamy NSET=1 a 
Lab (DOF)=VOLT. 

 

Poniżej pokazano połączone węzły tworzące lewą elektrodę piezorezystora. 

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     19 

 

4.4.24.  Węzły  elektrody  są  już  ze  sobą  połączone.  Ustalimy  teraz  węzeł  który  będzie  węzłem 
głównym  lewej  elektrody  (master  node  of  left  electrode).  W  tym  celu  wykorzystamy  fakt,  że 
program  w  dalszym  ciągu  pamięta  które  węzły  zostały  zaznaczone  (o  ile  ktoś  przypadkiem  nie 
anulował zaznaczenia). Wybieramy z głównego menu Parameters→Get Scalar Data … . Ustalamy z 
czego  maja  być  pobrane  dane  do  ustawienia.  W  naszym  przypadku  będą  to  dane  modelu  (Model 
data). Z dostępnych danych modelu wybieramy węzły (Nodes). 

 

W oknie Get Nodal Data nadajemy nazwę parametrowi jako n1, ustalamy liczbę wejściową jako 0 a 
metodę przeglądania zbioru jako następny o większym numerze (Next higher node). Akceptujemy 
polecenie przyciskiem ok. Program wprowadza do zbioru parametr o nazwie n1 któremu przypisany 
jest jeden z węzłów lewej elektrody (o najmniejszym numerze).  

 

Na rysunku poniżej pokazano rysunek z wyświetlonymi numerami węzłów oraz oknem parametrów 
po wykonaniu polecenia. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     20 

 

 

 
4.4.25.  W  tym  momencie  przypiszemy  w  końcu  potencjał  dodatni  lewej  elektrodzie.  Z  bocznego 
panelu wybieramy Preprocesor→Loads→Define Loads→Electric→Boundary→Voltage→On nodes. 
Otworzy to okno dialogowe Apply VOLT on Nodes. Wpisujemy parametr n1 (jak pokazano poniżej) 
przy opcji List of Items i akceptujemy wybór przyciskiem ok. Tym sposobem udało się nam przypisać 
potencjał dodatni lewej elektrodzie. 
 

 

4.4.26.  Teraz  musimy  powtórzyć  część  czynności  wykonanych  powyżej,  aby  przypisać  masę 
elektrodzie  prawej  piezorezystora  od  wymuszenia.  Powinniśmy  to  wykonać  już  znacznie  szybciej. 
Zaznaczamy  węzły  po  współrzędnej  X  równej  L/2  z  całego  modelu  a  następnie  ograniczamy  po 
współrzędnej Y do wartości(-W/2, W/2). 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     21 

 

 

Mając  zaznaczone  węzły  prawej  elektrody  przypiszemy  im  potencjał  równy  0.  Z  bocznego  panelu 
wybieramy 

Preprocesor→Loads→Define 

Loads→Electric→Boundary→Voltage→On 

nodes. 

Otworzy to okno dialogowe wyboru Apply VOLT on Nodes. Zaznaczamy w nim opcję Pick All.  

 

W  następny  oknie  dialogowym  Apply  VOLT  on  Nodes  jako  wartość  wpisujemy  0.  Zatwierdzamy 
operację.  Tym  sposobem  zakończyliśmy  definiowanie  wymuszenia  elektrycznego  w  postaci  stałej 
wartości  napięcia  U

dc

=5V.  Poniżej  lista  węzłów  z  przypisanymi  wartościami  wymuszenia 

napięciowego. 

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     22 

 

4.4.27.  Teraz  musimy  dokonać  połączenia  węzłów  elektrod  pomocniczych  z  których  będziemy 
zbierali sygnał pomiarowy. Musimy ponownie dokonać zaznaczenia węzłów. 
Dla górnej elektrody pomocniczej dokonujemy zaznaczenia w pierwszej kolejności po współrzędnej 
Y o wartości W/2+a, następnie ograniczamy zbór zaznaczenia po współrzędnej X w zakresie (-b/2, 
b/2). 

 

 
4.4.28.  Zaznaczone  węzły  musimy  również  połączyć  ze  sobą  ponieważ  stanowią  one  jedną 
elektrodę.  W  tym  celu  z  bocznego  panelu  wybieramy  Preprocesor→Coupling/Ceqn 
Preprocesor→Couple  DOFs.  Otworzy  to  okno  dialogowe    wyboru  Define  Couple  DOFs  w  którym 
wybieramy  opcję  Pick  All.  Nadajemy  numer  2  parametrowi  NSET  oraz  VOLT  dla  parametru  Lab 
(DOFs). Będzie to górna elektroda pomocnicza. 

 

4.4.29.  Z  górnej  elektrody  pomocniczej  wybierzemy  jeden  węzeł  który  będzie  węzłem  głównym. 
Wybieramy z głównego menu Parameters→Get Scalar Data … . Ustalamy z czego maja być pobrane 
dane do ustawienia. W naszym przypadku będą to dane modelu (Model data). Z dostępnych danych 
modelu wybieramy węzły (Nodes). Nadajemy naszemu parametrowi zaznaczenia nazwę ntop. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     23 

 

 

 

4.4.30.  To  samo  powtarzamy  dla  dolnej  elektrody  pomocniczej.  Współrzędne  zaznaczania  dla  Y  (-
W/2-a),  dla  X  (-b/2,  b/2),  numer  elektrody  NSET=3,  Lab=VOLT  natomiast  zaznaczeniu  nadajemy 
nazwę nbottom. 

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     24 

 

 

4.4.31. Zaznaczymy teraz wszystkie węzły przed wykonaniem następnego kroku. Z głównego menu 
uruchamiamy Select→Everything. 

 

 
4.4.32. Zmienimy teraz lokalny układ współrzędnych z 12 na 11. 

 

4.4.33.  Zaznaczamy  prawą  krawędź  podłoża  na  którym  umieszczony  jest  czujnik.  Na  tą  krawędź 
zostanie  przyłożone  wymuszenie  w  postaci  mierzonego  ciśnienia  o  wartości  p.  Jako  parametry 
zaznaczenia wybieramy oś X układu 11 o współrzędnych S/2. 

 

4.4.35.  Aby  zdefiniować  wymuszenie  z  bocznego  panelu  wybieramy  Preprocesor→Loads→Define 
Loads→Apply→Structural→Pressure→On Nodes.  W oknie wyboru węzłów Apply Press on Nodes 
wybieramy opcję Pick All. Następnie określamy wartość Value jako parametr p. 
 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     25 

 

 

4.4.36.  Pozostaje  nam  jeszcze  określić  węzły  które  będą  nieruchome  czyli  nie  będą  ulegały 
przemieszczeniu  (inaczej  będą  nieruchome).  Dokonujemy  zaznaczenia  w  lokalnym  układzie 
współrzędnych  (11)  po    współrzędnej  X  (-S/2).  Następnie  przypisujemy  zaznaczonym  węzłom 
przemieszczenia Ux=0. 

 

4.4.37.  Mając  poprzedni  zbiór  zaznaczonych  węzłów  po  współrzędnej  X  dokonujemy  teraz 
ograniczenia poprzedniego zbioru wskazań poprzez ograniczenie współrzędnej Y do wartości –S/2. 
Ogranicza to ilość węzłów do jednego. Narzucamy mu dodatkowo brak możliwości ruchu w kierunku 
osi Y (Uy=0). Jest to jedyny węzeł który nie ma możliwości poruszenia się. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     26 

 

 

4.4.38.  Zaznaczymy  teraz wszystkie węzły.  Z  głównego menu  uruchamiamy  Select→Everything. W 
tym  momencie  model  jest  już  gotowy  do  rozwiązania  numerycznego  zagadnienia.  Widok  modelu 
dyskretnego z narzuconymi warunkami brzegowymi i wymuszeniami pokazano poniżej. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     27 

 

 

 
Rozwiązywanie zagadnienia 
4.4.39.  Z  bocznego  panelu  uruchamiamy  Solution→Analysis  Type→New  Analysis.  Wybieramy 
analizę statyczną (Static która powinna być opcją domyślną). 

 

4.4.40.  Metoda  numeryczna  zawsze  jest  obarczona  niewielkim  błędem.  Pozostawimy  kryterium 
zbieżności rozwiązania na ustawieniach domyślnych (tolerancja rozwiązania 0.001%. Uruchamiamy 
rozwiązanie  zagadnienia.  Z  bocznego  panelu  uruchamiamy  Solution→Solve→Current  LS.  W  oknie 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     28 

 

Solve  Current  Load  LS  dokonujemy  akceptacji  przyciskiem  ok.  Czas  oczekiwania  na  rozwiązanie 
zależy  od  ilości  węzłów  i  możliwości  samego  komputera.  W  tym  przypadku  rozwiązanie  będzie 
dostępne praktycznie od razu ().  

 

Tym  sposobem  zagadnienie  zostało  rozwiązane. Pozostaje  w  tym  momencie  już  tylko wykorzystać 
rozwiązanie,  aby  obliczyć  wartość  napięcia  na  zaciskach  elektrod  pomocniczych  dla  danego 
rozmiaru  próbki,  napięcia  zasilającego  i  wartości  mierzonego  ciśnienia  p  oraz  oglądanie 
piezorezystora poddanego działaniu ciśnienia p. 
Oglądanie wyników (Postprocesor) 
4.4.41.  Aby  obejrzeć  wyniki  wchodzimy  do  postprocesora  (General  Postprocesor→Plot 
Results→Contour  Plot→Nodal  Solu).  Z  okna  Contour  Nodal  Solution  Data  wybieramy  Nodal 
Solution→DOF Solution.  

 

4.4.42.  Widok  deformacji  piezorezystora  z  podłożem  oraz  rozkładu  pola  elektrycznego  pokazano 
poniżej. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     29 

 

 

 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     30 

 

 

4.4.43.  Zawartość  ekranu  roboczego  możemy  zapisywać  do  pliku.  Z  głównego  menu  wybieramy 
PlotCtrls→Hard Copy→To File. Program zapisuje obrazek w wybranym formacie i domyślnej nazwie 
(możemy ją dowolnie zmienić) w katalogu roboczym określonym na początku instrukcji. 

 

Obliczanie wyników (TimeHist PostProc) 
4.4.44.  Do  obliczania  wyników  służy  zakładka  TimeHist  PostProc.  Rozwinięcie  tej  zakładki 
automatycznie  otworzy  okno  dialogowe  Time  History  Variables.  W  oknie  tym  możemy  obliczyć 
wartości  potencjałów  na  elektrodach  pomocniczych:  górnej  i  dolnej).  Elektrodom  tym  zostały 
przypisane  węzły  główne:  ntop  (górna)  i  nbottom  (dolna).  Wykorzystamy  teraz  te  ustawienia  do 
określenia miejsca obliczania potencjału. Jak pokazano poniżej obliczamy potencjał elektrody górnej 
jako V1=nsol(ntop,VOLT) oraz dolnej V2=nsol(nbottom, VOLT). Napięcie wyjściowe U

out

 obliczamy z 

zależności Uout=abs({V1}-{V2})*1e3 (mV).  
 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     31 

 

 

 

4.4.45. Wyniki obliczeń możemy zapisać do pliku wynikowego. 

 

5. Obliczanie wpływu ciśnienia p na wartość napięcia wyjściowego U

out

.  

5.1.  W  katalogu  roboczym  znajduje  się  skrypt  o  nazwie  cisnienie  który  pozwala  w  sposób 
automatyczny wykonywać wszystkie kroki z punktu 4.  
5.2.  Prowadzący  zajęcia  określa  zakres  zmiany  ciśnienia  p  i  krok  z  jakim  mają  być  wykonywane 
obliczenia  oraz  wartość  współczynnika  k.  Otwieramy  w  notatniku  plik  o  nazwie  cisnienie. 
Ustawiamy  wartości  parametrów  P_in,  P_end,  P_inc  oraz  przelicznik  k  zgodnie  z  zaleceniami. 
Zapisujemy zmiany. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     32 

 

 

5.3.  Uruchamiamy  skrypt  w  linii  poleceń  programu  wpisując  polecenie:  *use,cisnienie.  Naciskamy 
Enter dla zaakceptowania polecenia. 

 

5.4.  Program  automatycznie  wykonuje  obliczenia  w  pętli  zapisując  wyniki  do  pliku  tekstowego  o 
nazwie  wyniki_cisnienie.  Do  pliku  są  zapisywane  następujące  parametry:  W,  L,  p,  V1,  V2,  Uout, 
Uout_a. 
6. Obliczanie wpływu współczynnika k=L/W na wartość napięcia wyjściowego U

out

.  

6.1.  W  katalogu  roboczym  znajduje  się  skrypt  o  nazwie  wymiary  który  pozwala  w  sposób 
automatyczny wykonywać wszystkie kroki z punktu 4.  
6.2.  Prowadzący  zajęcia  określa  zakres  zmiany  współczynnika  k  (uwaga:  minimalna  wartość  nie 
może być mniejsza niż 1.1) i krok z jakim mają być wykonywane obliczenia oraz wartość ciśnienia p. 
Otwieramy w notatniku plik o nazwie cisnienie. Ustawiamy wartości parametrów k_in, k_end, k_inc 
oraz ciśnienie p zgodnie z zaleceniami. Zapisujemy zmiany. 

background image

Mikromaszyny i MEMS 
 

Opracował dr inż. Mariusz Korkosz, Rzeszów 2009                                     33 

 

 

6.3.  Uruchamiamy  skrypt  w  linii  poleceń  programu  wpisując  polecenie:  *use,wymiary.  Naciskamy 
Enter dla zaakceptowania polecenia. 

 

6.4.  Program  automatycznie  wykonuje  obliczenia  w  pętli  zapisując  wyniki  do  pliku  tekstowego  o 
nazwie  wyniki_wymiary.  Do  pliku  zapisywane  są  następujące  parametry:  k,  W,  p,  V1,  V2,  Uout, 
Uout_a. 
7. Opracowanie wyników obliczeń 
W  sprawozdaniu  należy  przygotować  część  teoretyczną  dotyczącą  czujników  piezorezystancyjnych 
oraz opracować wyniki badań symulacyjnych.