MEMS 模块

内置用户界面和结果

“MEMS 模块”提供的内置用户界面根据您需要分析的器件类型和多物理场相互作用进行定制，可用于定义域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、带求解器设置的预定义研究，以及预定义的绘图和派生值。您可以在 COMSOL Multiphysics^® 环境中轻松访问所有这些特征。

可以计算电场、应力、应变、品质因子、阻尼、谐振频率、耗散和散射参数（S 参数）的值，以及电容、导纳和阻抗矩阵的值，并将这些结果导出为 Touchstone 文件格式。此外，您还可以根据计算得到的物理量来绘制或计算任何数学表达式。

静电

您可以通过静电计算来分析 MEMS 器件中的电容效应，其中的场由电势和电荷分布决定。我们提供有限元法（FEM）和边界元法（BEM）两种方法来求解电势问题，并且这两种方法还可以组合成混合边界元-有限元法（BEM-FEM）。根据计算得到的势场，您可以计算电容矩阵、电场、电荷密度和静电能等许多物理量。

静电功能可以通过内置的多物理场效应选项进行扩展，例如压电、电致伸缩和铁电效应。同时，我们还提供德拜色散和介电损耗材料模型，可用于频域和瞬态分析。

流-固耦合（FSI）

“MEMS 模块”提供了流-固耦合（FSI）多物理场接口，可以实现流体流动与固体力学的耦合，以捕捉流体与固体结构之间的双向相互作用。流动既可以是层流，也可以是湍流。为了涵盖特定的微流体现象，您可以将“MEMS 模块”与“微流体模块”进行耦合使用。湍流分析需要使用 CFD 模块或传热模块。此外，“CFD 模块”还支持将两相流和三相流与固体力学相耦合。

压阻

压阻效应是指材料在受到外加应力作用时，其电导率发生变化的现象。小型压敏电阻器易于同标准的半导体工艺相集成，同时具备传感器的合理线性响应，这使得该技术在压力传感器行业的发展中起着举足轻重的作用。为了模拟压阻式传感器，“MEMS 模块”提供了多个专用接口来模拟实体或壳体的压阻效应。将“MEMS 模块”与“结构力学模块”耦合使用时，您可以使用薄壳压阻用户接口。

热力耦合

热弹性力学 接口将固体力学 和固体传热 接口紧密结合，并包含热弹性阻尼的耦合项。热弹性阻尼在较小的 MEMS 结构中尤为重要，其中的压缩和膨胀区域非常接近。当谐振器循环变形时，会产生局部温度变化和材料热膨胀，具体表现为阻尼效应。热弹性耦合项会使材料在拉伸时冷却，在压缩时加热。在固体的冷热区域之间产生的不可逆传热会导致机械损耗，这在微观层面上可能非常重要。

MEMS 谐振器的阻尼

您可以使用“MEMS 模块”模拟许多不同的阻尼现象，包括压膜阻尼；介电、弹性和压电材料的各向同性和各向异性损耗因子；以及热弹性阻尼。为了计算锚阻尼，完美匹配层（PML）提供了最先进的出射弹性波吸收功能，用于分析弹性和压电固体的特性。您可以执行特征频率、频率响应或瞬态全耦合分析。

通过将“MEMS 模块”与“声学模块”相耦合，您还可以考虑来自周围流体的声阻尼效应，包括压力声学和热黏性声阻尼。

预应力和偏置器件

“MEMS 模块”为研究带有机械和热载荷预应力的器件提供了理想的工具。通过内置的谐波扰动分析功能，您可以计算此类模型的频率响应，并获取特征频率和特征模态等关键信息。

除此之外，您还可以用类似的方式对静电偏置的 MEMS 谐振器进行分析，包括微机械滤波器等。举例来说，这些器件通常通过直流电压偏置和交流电流驱动，因此您可以分析阻尼和偏置效应对谐振频率的影响，进而揭示频率偏移的原因。

焦耳热和热应力

您可以轻松地进行热、电和结构多物理场效应的耦合分析。通过预定义的焦耳热和热膨胀多物理场耦合功能，您能够模拟结构中的电流传导、随之而来由欧姆损耗引起的电热效应，以及由温度场导致的热应力。这一功能广泛应用于热执行器和保险丝等典型场景。您可以对所有材料属性进行非线性建模，并考虑其与温度的相关性。此外，机械接触建模功能还可以扩展为包含热和电流的接触阻抗。对于薄的导电层，您可以使用专用的多层壳工具进行建模。

压电

先进且独特的压电建模工具提供了稳态、频域、耦合特征频率和时域仿真功能。您可以根据设计需求，以任何可以想象的配置来组合材料，并轻松包含耦合的压电、金属、电介质和流体部分。

您可以模拟正、逆压电效应，并使用应变-电荷或应力-电荷形式来表示压电耦合。“MEMS 模块”内置了一个常见压电材料的属性库，其中包含锆钛酸铅（PZT）和石英属性。许多压电材料在外加电场较大时还会表现出非线性铁电弹性特性，同样可以使用本模块进行仿真分析。您还可以通过耦合使用“MEMS 模块”和“复合材料模块”，使用壳体模拟薄层介电和压电结构。

在压电器件中，我们可以使用压电以及弹性和电介质部分的损耗因子来表示阻尼。您可以计算介质加热效应，并将其与传热分析相耦合，以研究色散效应的影响。

通过使用压电 接口分析压电行为，可以得到电势和电场、位移、应变、应力、电容、损耗、导纳、阻抗和 S 参数的结果。

弹性和压电材料的波动力学

您可以在频域和时域中模拟弹性波和压电波的振动和传播，从而分析声换能器和谐振器等器件，包括体声波（BAW）器件。

在时域仿真中，您可以根据需要选择隐式方法或显式方法。在所有情况下，您都可以在同一模型中耦合不同类型的材料，包括功能梯度材料。

频域和隐式时域仿真基于有限元法，而显式时域仿真则基于间断伽辽金（dG 或 dG-FEM）方法。通过 dG-FEM 方法，您可以使用时域显式求解器，以确保采用计算效率高的混合方法来求解具有数百万自由度（DOF）的超大模型。这种方法显示了出色的并行计算性能，在集群上运行时亦是如此。

为了模拟离开计算域的波，您可以使用多种边界条件和吸收层选项，包括无反射边界条件、海绵层、完美匹配层（PML）和弹性端口边界条件。

电磁-结构相互作用

机电 多物理场接口为您提供了固体力学、静电与动网格的耦合功能，可以帮助您模拟惯性传感器等静电驱动结构的变形。此外，该接口还与铁电弹性和电致伸缩材料兼容，并提供 FEM 和 BEM 选项。与此类似，将“MEMS 模块”与“AC/DC 模块”结合使用时，您还可以使用磁力学多物理场接口。

电致伸缩和铁电弹性材料

电致伸缩是一种机电相互作用的形式，其中施加到电致伸缩材料的电场会使材料产生变形（直接效应），而施加在材料上的应力会改变其极化状态（反向效应）。为了准确模拟这种现象，我们提供了电致伸缩 接口，实现了固体力学 与静电 接口之间的多物理场耦合。

铁电弹性 接口可用于模拟固体力学 与静电 之间的耦合作用，使您能够模拟铁电和压电材料中的非线性机电相互作用。这种材料的电极化，包括可能的滞后和饱和效应，以非线性方式取决于所施加的电场。此外，这种材料的极化和机械变形还可以实现强耦合效应。

电路

“MEMS 模块”支持将二维和三维模型与 SPICE 电路进行耦合，即，可以在模型的特定部分嵌入电路表示。例如，这项功能可用于评估串联电容对石英晶体振荡器的影响。

对于任何模型或模型组合，您都可以使用电路 接口来求解与电路元件有关的电压、电流及电荷。电路模型既可以包含电阻、电容和电感等无源元件，也可以包含二极管和晶体管等有源元件。您可以使用 SPICE 网表格式来导入和导出电路拓扑结构。