خازن MEMS قابل تنظیم
معرفی
در یک خازن صفحه موازی با قابلیت تنظیم الکترواستاتیکی، می توانید فاصله بین دو صفحه را هنگامی که ولتاژ اعمال شده تغییر می کند، تغییر دهید. برای تنظیم فاصله بین صفحات، خازن شامل فنری است که به یکی از صفحات متصل می شود. اگر مشخصات فنر و ولتاژ بین صفحات را می دانید، می توانید فاصله بین صفحات را محاسبه کنید. این نرم افزار یک شبیه سازی الکترواستاتیک را برای یک فاصله معین نشان می دهد. سپس یک مرحله پس پردازش، ظرفیت خازن را محاسبه می کند.
خازن در این مثال یک جزء معمولی در سیستم های میکروالکترومکانیکی مختلف (MEMS) برای میدان های الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس رادیویی 300 مگاهرتز تا 300 گیگاهرتز است.
شکل 1: خازن MEMS قابل تنظیم از دو صفحه فلزی تشکیل شده است. فاصله بین صفحات از طریق یک فنر متصل به یکی از صفحات تنظیم می شود.
تعریف مدل
برای حل مشکل، از رابط 3D Electrostatics، Boundary Elements در ماژول AC/DC استفاده کنید. ظرفیت خازنی مستقیماً به عنوان یک متغیر برای پس پردازش در دسترس است.
پتانسیل اسکالر الکتریکی V معادله پواسون را برآورده می کند.
که در آن ε 0 گذردهی فضای آزاد، ε r گذردهی نسبی و ρ چگالی بار فضایی است. میدان الکتریکی و جابجایی از گرادیان V بدست می آید :
صفحات و میله های خازن رسانا فرض می شوند و بنابراین در شرایط الکترواستاتیک پتانسیل الکتریکی یکنواختی دارند.
در رابط Electrostatics، Boundary Elements ، این پدیده را می توان با اعمال یک شرط ترمینال برای مرزهای خارجی مناطق رسانا مدل کرد. سپس مرزها مانند یک هم پتانسیل رفتار خواهند کرد. از آنجایی که پتانسیل داخل هادی ها یک مقدار یکنواخت و از پیش تعریف شده خواهد داشت، مدل فقط باید فضای خالی بی نهایت اطراف هادی ها را حل کند.
نتایج و بحث
شکل 2 توزیع پتانسیل الکتریکی محاسبه شده در نزدیکی صفحات خازن را نشان می دهد. پتانسیل در هر صفحه خازن ثابت است، همانطور که توسط شرایط اعمال شده دیکته می شود.
شکل 2: توزیع پتانسیل الکتریکی در نزدیکی صفحات خازن.
ظرفیت، C ، به دست آمده از شبیه سازی تقریبا 0.1 pF است.
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Devices,_Capacitive/capacitor_tunable
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی Model Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
|
در پنجره Model Wizard ، روی 3D کلیک کنید .
|
2
|
در درخت Select Physics ، AC/DC>Electric Fields and Currents>Electrostatics, Boundary Elements (esbe) را انتخاب کنید .
|
3
|
روی افزودن کلیک کنید .
|
4
|
روی مطالعه کلیک کنید .
|
5
|
در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید .
|
6
|
روی Done کلیک کنید .
|
هندسه 1
دنباله هندسه را از فایل capacitor_tunable_geom_sequence.mph وارد کنید .
1
|
در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید و Insert Sequence را انتخاب کنید .
|
2
|
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل capacitor_tunable_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید .
|
3
|
در نوار ابزار Geometry ، روی ساختن همه کلیک کنید .
|
4
|
روی دکمه Go to Default View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
|
تعاریف
هواپیمای زمینی
1
|
در نوار ابزار تعاریف ، روی Explicit کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Ground Plane را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
|
3
|
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
|
4
|
قسمت Output Entities را پیدا کنید . از لیست موجودیت های خروجی ، مرزهای مجاور را انتخاب کنید .
|
پایانه
1
|
در نوار ابزار تعاریف ، روی Explicit کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Terminal را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
|
3
|
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
|
4
|
قسمت Output Entities را پیدا کنید . از لیست موجودیت های خروجی ، مرزهای مجاور را انتخاب کنید .
|
مواد
دی الکتریک
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات مواد ، Dielectric را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
|
3
|
قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، همه فضای خالی را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
|
ویژگی
|
متغیر
|
ارزش
|
واحد
|
گروه اموال
|
گذر نسبی
|
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
|
4.2
|
1
|
پایه ای
|
الکترواستاتیک، عناصر مرزی (ESBE)
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electrostatics, Boundary Elements (esbe) کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Electrostatics، Boundary Elements ، قسمت Domain Selection را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، همه فضای خالی را انتخاب کنید .
|
زمین 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای زمین ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست Selection ، Ground Plane را انتخاب کنید .
|
ترمینال 1
وضعیت ترمینال اجازه می دهد تا سیستم را راحت تر تغذیه کند . به طور خودکار پارامترهای یکپارچه سیستم را محاسبه می کند. در این مدل ظرفیت خازن تعیین می شود.
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Terminal را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای ترمینال ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، ترمینال را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت ترمینال را پیدا کنید . از لیست نوع ترمینال ، ولتاژ را انتخاب کنید .
|
مش 1
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست اندازه عنصر ، Fine را انتخاب کنید .
|
4
|
روی ساخت همه کلیک کنید .
|
مطالعه 1
این مدل خاص هنگام استفاده از حلکننده مستقیم پیشنهادی بهتر حل میشود . تنظیمات حل کننده را مطابق با آن تنظیم کنید.
راه حل 1 (sol1)
1
|
در نوار ابزار مطالعه ، روی Show Default Solver کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید .
|
3
|
در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1 را گسترش دهید .
|
4
|
روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1>Suggested Direct Solver (esbe) کلیک راست کرده و Enable را انتخاب کنید .
|
5
|
در نوار ابزار مطالعه ، روی محاسبه کلیک کنید .
|
نتایج
پتانسیل الکتریکی (esbe)
اولین نمودار پیش فرض پتانسیل الکتریکی را نشان می دهد. برش ها را کنار بگذارید تا طرح روشن تر شود.
چند برش 1
1
|
در پنجره Model Builder ، گره Electric Potential (esbe) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید .
|
3
|
زیربخش x-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
4
|
در قسمت متن مختصات ، 320 را تایپ کنید .
|
5
|
زیربخش y-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
6
|
در قسمت متن مختصات ، 320 را تایپ کنید .
|
7
|
زیربخش z-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
8
|
در قسمت متن مختصات ، -20 را تایپ کنید .
|
ساده سازی چند تکه 1
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Streamline Multislice 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Streamline Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید .
|
3
|
زیربخش x-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
4
|
در قسمت متن مختصات ، 320 را تایپ کنید .
|
5
|
زیربخش y-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
6
|
در قسمت متن مختصات ، 320 را تایپ کنید .
|
7
|
زیربخش z-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
8
|
در قسمت متن مختصات ، -20 را تایپ کنید .
|
9
|
در نوار ابزار Electric Potential (esbe) ، روی Plot کلیک کنید .
|
چند برش 1
1
|
در پنجره Model Builder ، گره Results>Electric Field Norm (esbe) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید .
|
3
|
زیربخش x-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
4
|
در قسمت متن مختصات ، 350 را تایپ کنید .
|
5
|
زیربخش y-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
6
|
در قسمت متن مختصات ، 350 را تایپ کنید .
|
ساده سازی چند تکه 1
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Streamline Multislice 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Streamline Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید .
|
3
|
زیربخش x-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
4
|
در قسمت متن مختصات ، 350 را تایپ کنید .
|
5
|
زیربخش y-planes را پیدا کنید . از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید .
|
6
|
در قسمت متن مختصات ، 350 را تایپ کنید .
|
7
|
در نوار ابزار Electric Field Norm (esbe) ، روی Plot کلیک کنید .
|
8
|
روی دکمه Zoom In در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
|
نمودار دوم هنجار میدان الکتریکی را نشان می دهد. میدان در بین صفحات خازن قوی ترین است.
ارزیابی جهانی 1
پس از حل مدل، اکنون می توانید ظرفیت خازن را استخراج کنید.
1
|
در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی جهانی کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی ، روی جایگزینی عبارت در گوشه سمت راست بالای بخش عبارات کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electrostatics, Boundary Elements>Terminals>esbe.Q0_1 – شارژ ترمینال – C را انتخاب کنید .
|
3
|
قسمت Expressions را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
|
اصطلاح
|
واحد
|
شرح
|
esbe.Q0_1/esbe.V0_1
|
pF
|
ظرفیت خازنی ماکسول
|
4
|
روی ارزیابی کلیک کنید .
|
جدول
1
|
به پنجره Table بروید .
|
ظرفیت خازن به 0.1 pF ارزیابی می شود.