MEMS CAD 结课作业

实验课出勤/实验结果检平时上课出勤查/实验报告/期中测试及表现（20%） （30%） 课程结业试题 课程最终理论/设计/总结报告 成绩 （50%） 上面表格为该课程最终成绩记入方法。

2010/2011学年第2学期

《MEMS CAD》课程结业试题

学 院：电子与计算机科学技术学院 班级及学号： 姓 名：

本结业试题包括：

一、理论部分；

二、综合设计实验部分； 三、本课程主要内容总结报告。

理论试题部分 （40分） 综合设计实验仿真部分 课程总结报告 （40分） （20分） 总分

提交截止时间：2011年5月5日中午12：00点。

任课教师：

2011-4-12

1

一、理论部分

1、按您的理解，请阐述运用ANSYS软件进行分析求解问题的基本步骤和思路。结合本专业，谈谈其在所学专业中的应用。（10分） 答：利用ansys软件来对具体问题进行分析

1) 通过对问题描述的分析和构思，对要建立的模型有一个整体的框架，对如何建立，怎

么样建立要有充分的认识；

2) 做好分析工作后，才去适当的方法，建立实体模型。建模方法有自底向上（首先建立

关键点，用这些点建立线、面等）和自顶向下（首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状）；

3) 对模型进行网格化分，形成有限元模型。其中网格划分包括自由式网格划分和映射式

网格划分；

4) 对有限元模型施加约束与载荷进行求解分析，其中包括静力学分析，模态分析以及瞬

态分析等；

5) 进入后处理器，获得计算结果，并对结果进行分析与观察。

Ansys在微电子学专业中的应用：

微机电系统(MEMS)是当今技术领域最热点之一；它采用先进的半导体工艺，将具有信号处理功能的智能机械结构集成在一块芯片中。MEMS 装置具有与传统的传感器和执行器等相同的功能，但比后者要小得多，为使这种体积纤小、结构精巧的微机电器件能够精确、可靠地工作，以适应恶劣环境，MEMS 工程师在设计中普遍采用FEA 方法，借助软件对微机电系统的应力、变形、自振、热损失、流体压差与速度、电阻电导、电磁场干扰。

总之，ANSYS 独有的降阶分析功能及场路结合分析法为MEMS 中的路分析提供了良好的解决方案。ANSYS 自身具有强大的三维建模能力，而且ansys可以对各种物理场进行分

析，是目前位移能融合结构、热、电磁、流场、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外还可以解决高度非线性结构的动力分析，接都非线性及非线性屈曲分析。Ansys还有后处理功能，来进行观察分析结果。这对于MEMS的理解和应用都有着很大的帮助。

2、分别阐述INTELLISUITE和 L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的基本步骤。（16分）

答：IntelliSuite提供从概念设计到产品制造的MEMS解决方案。可进行多物理量的分析，其模拟和分析模块使用户无须进入实际生产即可评估所设计器件的工艺可行性和工作性能。它的突出特点是将著名的开发工具与先进的流水相结合，使MEMS产品迅速走向市场。具有多项领先技术和首要发明创新。软件可广泛运用于MEMS各个环节，是设计、分析、模拟仿真传感器、加速度计、激励器、生物微流体芯片、射频开关以及光学MEMS器件的强大工具。

2

L-Edit是针对版图设计而编制的应用软件。它允许生成和修改集成电路掩模版上的几何图形。用于MEMS版图设计，能完成集成电路设计、模拟验证、版图编辑和自动布局布线的任务，可以分层设计。同时它也可以模拟工艺过程。

INTELLISUITE软件分析仿真的步骤：（1）工艺设计：包括硅片的加工、玻璃片的加工以及键合/封装工艺；（2）工艺仿真：用mask创建掩膜图形，用IntelliFab进行工艺仿真。①定义一个硅片；②清洗所定义的硅片；③在硅片底部淀积一层SiO2；④再在其上淀积一层光刻胶；⑤清洗光刻胶；⑥刻蚀SiO2；⑦刻蚀硅片；⑧清洗全部的光刻胶；⑨刻蚀掉全部的SiO2。根据需要可以进行各种工艺。

3、请阐述用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解基本思路与方法。（6分） 答：一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解。1）多次求解方法

缺点：用户必须等到每一次求解完成后才能定义下一次载荷步（除非使用批处理方法） 注意：只有在不离开求解过程时，此方法才有效。否则，必须指示程序进行重启动 a.定义第一个载荷步并存盘；b.进行求解；c.不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘；d.进行求解；e.不要退出求解器，继续进行步骤3和步骤4直到所有的载荷步完成；f.进行后处理

2）载荷步文件方法，当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便的 程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为jobname.sxx（sxx 为载荷步号），然后使用一条命令，读进每个载荷步文件并开始求解

a.定义第一个载荷步b.将边界条件写进文件Main Menu: Solution >-Load Step Opts- Write LS File (jobname.sxx)?c.为了进行第二次求解按需要改变载荷条件d.将边界条件写到第二个文件e.利用载荷步文件进行求解Main Menu: Solution > -Solve- From LS Files (jobname.sxx)?

以上是用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解的两种方法。

4、按您的理解，请预测国内以及欧洲等发达国家在未来十年后MEMS CAD技术的发展情况，目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。（8分）

答：MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）是多种学科交叉融合并具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。MEMS以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。在国内外市场中MEMS的研究早已经成为重点研究的科技方向之一，MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法应付设计需求。幸运的是当今计算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中得到广泛的应用,2D和3D计算机绘图技术的发展使我们能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元技术的应用使得我们可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能。对器件工作的静态、

3

准静态和动态模拟成为可能。从而使我们能够对MEMS器件结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。

我国MEMS CAD的研究始于20世纪90年代初，起步并不晚，但相对于发达国家而言我们仍是有差距，主要表现在设计能力以及加工水平上，不过这会随着我国科技的发展逐渐变小的。

在CAD封装和测试方面，MEMS和IC最大区别在于MEMS要与现实世界发生多方面的相互作用，涉及多种能量和物质的传输和处理，因此比IC要复杂得多，成为MEMS技术进一步发展的瓶颈。MEMS的可靠性和应用研究也是目前MEMS技术的难点。可靠性是MEMS器件使用者最关心的问题之一，尤其是在MEMS应用于医疗领域时，可靠性尤为突出。粘附、杂质玷污以及加工中的残余应力，是目前MEMS中造型机械结构失效的主要原因。目前各国的科研机构已对这些问题给予了高度的重视,正在努力地解决，并有所突破。

二、综合性设计实验：

实验一：隧道式硅微加速度计的设计与仿真

图1 加速度计的尺寸结构图 图2 加速度计结构顶视图

题意：图为隧道电流式硅微加速度计的结构尺寸外型图，设计建立模型并求解。

该隧道电流式加速度计的结构设计参数主要有：质量块边长L，质量块厚度h，梁宽w，梁长Ld，梁厚d，打折梁长L0。这些结构设计参数的取值受到的主要限制有：

(1)现有硅制造工艺水平； (2)材料的钢度、强度；(3)加速度计量程。

初始尺寸：（单位：um）

质量块：正方形边长a=980、厚度c=80悬臂梁：梁长L=1050、梁宽w=20、高d=25 打折梁长：L1=50，支撑柱高50(为了方便观测，值取的较大)，底座高150

求解：

1）建立隧道电流式加速度计模型及进行合理的网格划分； （10分）

2）对模型加载边界条件全约束和质量块150g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部分的受力状况； （5分）

3）求解六阶模态，并在word文档中保存其前六阶模态云图；（5分）

4）采用完全法对加速度传感器模型进行瞬态分析。在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时间为25μs的冲击加速度，值为200g。将载荷分为50个子步，画出其隧尖的最大位移曲线。（10分）

4

5）用INTELLISUITE软件进行简单的工艺设计与仿真。 （10分）

实验步骤：

1. 定义工作名、工作标题、过滤参数

1) 定义工作名：Utility menu > File >Jobname输入suidaoshiweiguijiasuduji 2) 工作标题：Utility menu > File > Change Title输入0806024202 lixiaofeng 2. 选择单元类型Main Menu>Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

Structural Solid > brick 8node45 单击OK 3. 设置材料属性

1) 定义材料的弹性模量EX，Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material

Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，弹性模量 EX＝190e9，泊松比 PRXY＝0.3

2) 定义材料的密度DENS，Main Menu>Preprocessor > Material Props > Material

Models>density ，DENS =2300

4. 建立模型Main Menu>Preprocessor> Modeling >Create> Volumes >Block>By Dimension 1）建立体结构：

坐标 底座 支撑住1 支撑住2 支撑住3 支撑住4 悬臂梁1 悬臂梁2 悬臂梁3 悬臂梁4 打折梁1 打折梁2 打折梁3 打折梁4 质量块

X1 -560E-6 -560E-6 -560E-6 560E-6 -560E-6 -540E-6 540E-6 560E-6 -560E-6 470E-6 -470E-6 490E-6 -490E-6 -490E-6 X2 560E-6 -540E-6 -540E-6 540E-6 -540E-6 490E-6 -490E-6 540E-6 -540E-6 490E-6 -490E-6 540E-6 -540E-6 490E-6 Y1 -560E-6 -560E-6 560E-6 -560E-6 -560E-6 -560E-6 560E-6 -540E-6 540E-6 -540E-6 540E-6 470E-6 470E-6 -490E-6 5

Y2 560E-6 -540E-6 540E-6 -540E-6 -540E-6 -540E-6 540E-6 490E-6 -490E-6 -490E-6 490E-6 490E-6 490E-6 490E-6 Z1 -150E-6 0 0 0 0 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 50E-6 Z2 0 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 75E-6 130E-6

2）建立遂尖Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>cone>By Dimension RBOT=0,RTOP=20um,Z1=42um,Z2=50um点击OK，模型如图1

5. 粘接所有体Main Menu>Preprocessor > Modeling>Operate > Booleans>Add > Volumes ,Pick All

6. 划分网络：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool... 1) 将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”

2) 将滑动码设置为 “6” (也可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格) 3) 确认Mesh Tool的各项为: Volumes, Tet, Free

4) MESH—Pick All（如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”) 5) 关闭 Mesh Tool结果如图2

图1 加速度计模型 图2 自由式网格划分图 7. 静力学分析

1）指定分析类型及分析选项

a．Main Menu >Solution >New Analysis>Static

b．Main Menu >Solution >Sol’n Controls，单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“√”。打开预应力选项。单击OK

2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度。

3）施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity> Global在ACELZ Global Cartesian Z-comp中输入-1470点击OK

6

4）求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 5）观察解得的静力分析结果，结果如图3

a.Main Menu>General Postproc>Read Results >First Set，

b.MainMenu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum 8. 进行模态分析

1）指定分析选项 ，Main Menu >Solution >Analysis Type >New Analysis>Modal 2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度。

3) 分析选型设定，Main Menu >Solution >Analysis Type >Analysis Options 在弹出对话框中，指定Mode extraction method (模态提取方法)为Block Lanczos (块兰索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为6,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入6。将Inclprestress effects (预应力效应)设置为“YES”，单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)对话框，指定的值为：Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是99999999。单击ok按钮 4）进行求解 Main Menu>Solution>Current LS 5）观察解得的模态

a.Main Menu>General Postproc>Read Results >First Set，

b.Main Menu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum c. Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set，选第二阶模态。 d. 选取菜单路径Main Menu >General Postproc>Plot Results >Nodal Solu 选择 stress>von Mises>OK 图形窗口中将显示出第二阶模态振型。 f.对余下的各阶模态重复步骤c～d，观察所求解的各阶模态的振型

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图3 静力学分析图 图4 一阶模态分析图

图5 二阶模态分析图 图6 三阶模态分析图

图7 四阶模态分析图 图8 五阶模态分析图

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9. 进行瞬态分析 1) 从网格划分开始

2) 指定分析类型及分析选项Main Menu >Solution >New Analysis>Transient点击OK，在弹出窗口中[TRNOPT]中选择full点击OK。

3) 施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,约束底座出上表面之外的五个面的自由度

4)定义时间段MainMenu>Solution>load step>Time/Frequenc>Time-Time step 输入[TIME]=0.1e-6，KBC选择Stepped，点击OK.

5)施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply> Structural >intertia>gravity>gloabe,输入ACELZ=-1960，点击OK， 6)求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。

7）重复第4,5,6步，输入 [TIME]=5e-6，[DELTIM]=0.5e-6, 点击OK，在Z轴方向施 加力为200000，点击OK；每间隔5e-6us选一个数值，直到[TIME]=25e-6。

8)Main Menu>TimeHistPostpro>define variable，点ADD> Nodal DOF result,点OK,选遂尖，选translation UZ，点OK.

9)Main Menu>TimeHistPostpro>Graph variable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如图10

图9 六阶模态分析图 图10 时间-位移曲线图

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实验二：高量程加速度传感器的设计与仿真

（a）正视图 （b）俯视图

图1 高量程加速度传感器结构

图2 结构截面图及参数说明

题意：上图为一高g值加速度传感器结构示意图，四端固支梁岛结构截面图如图2所示，各结构参数定义如下：

梁长a1； 梁宽a2； 梁厚h1； KOH腐蚀深度h2； KOH腐蚀形成<111>与<100>的夹角θ，??54.74?； 质量块长/宽a2； 质量块厚H，H?h1?h2； 质量块下表面边长s，s?a2?2(h2/tan?)；

梁 长度 宽度 厚度 （a1） （a2） （h1） 尺寸 （μm） 600 1050 80 顶部 长度/宽度 （a2） 1050 质量块 边框 底部 顶部 厚度 长度/宽度 宽度 （H） （s） （c1） 598 395 800 底部 结构整体 宽度 长度/宽（c2） 度 577 3850 单晶硅的材料参数

参数 硅 求解：

1）建立高g值传感器模型； ------------（10分）

2）对模型加载边界条件全约束和150000g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部分的

?（Kg/um3） 2．33*10-15 EX（N*um-2） 1.7*105 PRXY 0.3 10

受力状况； ---------（10分） 3）求解六阶模态，并在word文档中保存其前六阶模态云图； --（10分）

4）采用完全法对高g值加速度传感器模型进行瞬态分析。在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时间为20μs的冲击加速度，值为200000g。将载荷分为50个子步，画出其敏感质量块端部的最大位移曲线。 ----（10分）

实验步骤：

1.定义工作名、工作标题、过滤参数

1)定义工作名：Utility menu > File >Jobname输入gaoliangchengjiasuduchuanganqi 2)工作标题：Utility menu > File > Change Title输入0806024202 lixiaofeng 2.选择单元类型Main Menu>Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

Structural Solid > brick 8node45单击OK 3.设置材料属性

1) 定义材料的弹性模量EX，Main Menu>Preprocessor>MaterialProps>Material Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，弹性模量EX＝1.7E-7，泊松比 PRXY＝0.3

2)定义材料的密度DENS，Main Menu>Preprocessor > Material Props > Material Models>density ，DENS =2.33E3 4.建立模型

1) 创建关键点：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS NPT 1 2 3 4 5 6 7 8 X -299E-6 299E-6 299E-6 -299E-6 Y 299E-6 -299E-6 -299E-6 299E-6 Z 315E-6 315E-6 315E-6 315E-6 0 0 0 0 NPT 9 10 11 12 13 14 15 16 X Y Z 0 0 0 0 -1125E-6 1125E-6 1125E-6 1125E-6 1125E-6 -1125E-6 -1125E-6 -1125E-6 -525E-6 -525E-6 -525E-6 525E-6 525E-6 525E-6 525E-6 -525E-6 -1348E-6 -1348E-6 315E-6 -1348E-6 1348E-6 1348E-6 1348E-6 315E-6 315E-6 1348E-6 -1348E-6 315E-6 2) 点生成体Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create> Volumes >Arbitrary>Through

Kps，选择点1-8生成体，点击apply，选择9-16点，生成体

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3) 建立长方体Main Menu>Preprocessor> Modeling >Create> Volumes >Block>By

Dimension，x1=-1925e-6；x2=-1925e-6，y1=-1925e-6；y2=-1925e-6z1=-80e-6；z2=315e-6

4) Main Menu>Preprocessor> Modeling >Operate> Booleans >Subtract>Volumes首先

拾取长方体，点击Apply，然后拾取减去的9—16点生成体，点击OK。

5) 建立四个小长方体Main Menu>Preprocessor> Modeling >Create> Volumes >Block>By

Dimension ，x1=525e-6；x2=1125e-6，y1=525e-6；y2=1125e-6z1=-80e-6；z2=0，坐标相互对称

6) Main Menu>Preprocessor> Modeling >Operate> Booleans >Subtract>Volumes首先

拾取整体，点击Apply，然后拾取减去的四个小长方体，点击OK。如图1 7) Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes ,Pick All 8) 建立凹槽

a.建立关键点Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，NPT=60(-223E-6，223E-6，315E-6), NPT=61(223E-6，223E-6，315E-6), NPT=62(223E-6，-223E-6，315E-6), NPT=63(-223E-6，-223E-6，315E-6) NPT=64(0，0，0)

b.生成面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas>Arbitrary>By Lines,生成五个面，

c.Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Volumes >Arbitrary>By Area d.Main Menu>Preprocessor> Modeling >Operate> Booleans >Subtract>Volumes首先拾取质量块，点击Apply，然后拾取减去的凹槽，点击OK。结果如图2

图1 挖去四个长方体 图2 挖去凹槽后

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5.划分网络：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool... 1) 将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”

2) 将滑动码设置为 “6” (也可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格) 3) 确认Mesh Tool的各项为: Volumes, Tet, Free

4) MESH—Pick All（如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close” 5) 关闭 Mesh Tool结果如图3 6.静力学分析

1) 指定分析类型及分析选项

a．Main Menu >Solution >New Analysis>Static

b．Main Menu >Solution >Sol’n Controls，单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“√”。打开预应力选项。单击OK

2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,约束边框四个面的自由度。

3）施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity> Global在ACELZ Global Cartesian Z-comp中输入-1500000点击OK 4）求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 5）观察解得的静力分析结果，结果如图4

a.Main Menu>General Postproc>Read Results >First Set，

b.MainMenu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum

图3 自由式网格划分图 图4 静力学分析图 7.进行模态分析

1）指定分析选项 ，Main Menu >Solution >Analysis Type >New Analysis>Modal 2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement

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>On Areas,约束边框周围的四个面的自由度。

3) 分析选型设定，Main Menu >Solution >Analysis Type >Analysis Options 在弹出对话框中，指定Mode extraction method (模态提取方法)为Block Lanczos (块兰索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为6,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入6。将Inclprestress effects (预应力效应)设置为“YES”，单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)对话框，指定的值为：Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是9999999999。单击ok按钮 4）进行求解 Main Menu>Solution>Current LS 5）观察解得的模态

a.Main Menu>General Postproc>Read Results >First Set，

b.Main Menu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum c. Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set，选第二阶模态。

d. Main Menu>General Postproc>Plot Results>NodalSoluDOF>Displacement vector sum f.对余下的各阶模态重复步骤c～d，观察所求解的各阶模态的振型

图5一阶模态分析图 图6 二阶模态分析图

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图7 三阶模态分析图 图8 四阶模态分析图

图9 五阶模态分析图 图10六阶模态分析图 8. 进行瞬态分析 1）从网格划分开始

2）指定分析类型及分析选项Main Menu >Solution >New Analysis>Transient点击OK，在弹出窗口中[TRNOPT]中选择full点击OK。

3)施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>On Areas,约束边框周围的四个面的自由度

4)定义时间段MainMenu>Solution>load step>Time/Frequenc>Time-Time step 输入[TIME]=0.01e-6，KBC选择Stepped，点击OK.

5)施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply> Structural >intertia>gravity>gloabe,输入ACELZ=2000000，点击OK， 6)求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。

7）重复第4,5,6步，输入 [TIME]=2e-6，[DELTIM]=0.4e-6, 点击OK，在Z轴方向施 加力为200000，点击OK；每间隔2e-6us选一个数值，直到[TIME]=2e-5。

8)Main Menu>TimeHistPostpro>define variable，点ADD> Nodal DOF result,点OK,选凹槽底部，选translation UZ，点OK.

9)Main Menu>TimeHistPostpro>Graph variable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如图11

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图11 时间—位移曲线

三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部分为本课程的主要内容总结，第二部分请您谈谈你对本课程学习的认识与体会。（20分）

A.MEMS CAD课程的主要内容：

1.MEMS 的发展与前景的介绍，说明MEMS的重要性。由此引出MEMS设计软件Ansys 2.Ansys软件的使用

1）Ansys软件的安装及其功能介绍 2）实体建模

Ansys软件中有两种模型：一种是实体模型，包括关键点、线、面、体等几何对象；另一种是有限元模型，包括节点和单元。

Ansys中的建模方法有两种：一种是自底向上（首先建立关键点，用这些点建立线、面等。）和自顶向下（首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状）两种。

图1 自底向上建模方法 图2 自顶向下建模方法

实体模型几何图形定义之后，可以有边界决定网络，即每一线段分成几个单元或单元的尺寸是多大。定义了每边单元数目或尺寸大小之后，ANSYS程序即能自动产生网格，即自动产生节点和单元，并同时完成有限元模型。实体建模还有布尔运算、移动和复制两种方法，布尔运算和移动、复制都是为了构建复杂的实体模型。 3）网格化分

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在网格划分之前需要进行单元的属性设置。归纳起来，网格划分生成节点和单元的过程主要包括以下3个步骤： a. 定义单元类型,材料特性；

ANSYS软件的单元库提供了100多种单元类型，并按类型分了类，几乎能解决大部分常见问题，如SOLID96、BEAM3、SHELL3等。在有限元分析过程中，对于不同的问题需要不同特征的单元，单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精确度。

实常数的设置是依赖于单元类型的，如BEAM单元的横截面特性、SHELL单元的厚度设置等。

定义材料参数就是输入进行有限元分析的材料本构关系。根据分析问题的不同，材料参数可以是： ①线性或非线性；

②各向同性、正交异性或非弹性； ③不随温度变化或随温度变化。 b. 定义网格划分控制；

选择Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令，打开网格划分工具对话框，网格划分控制可以进行单元属性设置、Smart Size网格划分控制、单元尺寸设置、单元形状控制、网格划分器选择、网格划分优化。其中网格划分尺寸控制是重点内容。 网格划分可分为关键点网格划分、线网格划分、面网格划分、体网格划分。 c.生成网格

【注】网格化分主要分为两种：自由式网格划分和映射式网格化分。通过实验和理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论。 4）施加载荷与求解

在建立有限元模型后就可以对模型施加载荷并进行求解。施加载荷是进行有限元分析的关键一步，可以直接对实体模型施加载荷，也可对网格划分之后的有限元模型施加载荷。在ANSYS中对模型施加载荷，可以使用多种方法，而且通过载荷步选项，可以控制求解过程中如何使用载荷。 a.加载：

以特性而言，载荷可分为6大类：自由度（DOF）约束、力（集中载荷）、表面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。

ANSYS软件提供了两种加载方式，即：将载荷施加于实体模型（关键点、线和面）上或有限元模型（节点和单元）上。 b.求解

载荷施加完成后即可进行有限元的求解。通常有限元求解的结果为： ①节点的自由度值——基本解。 ②原始解的导出解——基本解。

Ansys软件提供了多种求解有限元方程的方法：直接解法、稀疏矩阵法、自动迭代法、

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条件共轭梯度法等多种方法。 5)静力学结构分析

静力分析是计算结构在固定不变的载荷作用下的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受时间变化的载荷时的情况。静力分析可以可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力的随时间变化载荷。静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分析。

线性静力分析用于计算那些不包括惯性和阻尼效应的载荷结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。

静力分析中所施加的载荷主要包括：外部施加的作用力或压力；稳态的惯性力（如重力和离心力）；位移载荷；温度载荷。

求解静力分析的主要步骤为：

① 选择分析类型Main Menu >Solution >New Analysis>Static

② 施加载荷和边界条件并求解；

③ 结果分析和评价。 6）ANSYS动态分析

动态分析用来确定惯性（质量效应）和阻尼起重要作用时结构或构件的动力学特性。按照运动方程的求解形式的不同，动态分析可分为3种形式：即模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析。 a.模态分析

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，同时也可以作为其他更详细的动态分析的起点，如瞬态分析和谐波响应分析等。

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括固有频率、振型、振型参与系数等。模态分析假定结构是线性的，任何非线性特性即使定义了也将被忽略。 模态分析的过程有以下4个步骤组成： ①建模；

②选择分析类型和分析选项； ③施加边界条件并求解； ④评价结果。 b.瞬态分析

瞬时动态分析是确定随时间变化载荷（如爆炸）作用下结构响应的技术。它需要输入一个作为时间函数的体载荷，可以输出随时间变化的位移和其他的导出量，如应力和应变等。瞬态分析可以应用在以下设计中：承受各种冲击载荷的结构、承受各种随时间变化载荷的结构、承受撞击和颠簸的家庭和办公设备。 瞬态分析主要由以下几步组成： ①建模； ②选择分析类型；

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③定义边界条件和初始条件； ④施加时间历程载荷并求解； ⑤查看结果。 c.谐波响应分析

为了确保结构能够经受住各种不同频率的正弦体载荷，探测共振响应，并在必要时避免其发生，就需要进行谐波响应分析。在ANSYS软件中谐波响应分析主要可采用三种方法进行求解计算，即Full（完全法）、Reduced（缩减法）和Mode Superposition（模态叠加法）。 谐波响应分析的基本步骤有： ①建模；

②选择分析类型及选项； ③施加体载荷并求解； ④查看结果。

B.对MEMS CAD课程的认识与体会

通过这一学期的学习，我对ansys软件的使用有了一定的认识，对MEMS CAD有了一定的了解，对利用ansys分析具体问题的基本步骤和方法有了一定的了解。

在ansys使用过程中遇到的一些问题：

1)往往会搞不清关键点（keypoint）、节点(node)、元素(element)等的意思。关键点不同于节点，关键点往往是为建立一个模型而设的点，如圆弧的圆心、线段的端点等。对于一些简单的构件，可以通过定义材料属性，直接定义节点或元素；但对一些如面、体等模型，节点往往是在建立几何模型后，经过网格划分而成的。如对“面”而言，元素就是划分网格后的四边形或者三角形。

2)在学习时，还要熟悉模型各种线(lines)、面(areas)、体(volumes)、节点(nodes)、元素(elements)等的显示(plot)，显示命令由plot和plotctrl来控制。路径为(Utility Menu->plot，Utility Menu ->plotctrl)。在建立模型时，通过两个点建立一条线，但滚动鼠标后可能发现线不见了，此时可以通过Utility Menu>plot>lines来显示线。这些操作在练习过程中可能会经常遇到的。

3）注意保存。建模过程中，往往会出现一些错误或者不可预测的操作，因为不像CAD里一样画错了能后退，所以此时就要save，发现错误之后，点resume就可以回复到你点save时的那一步操作了。还可以通过file>save as?另存.db文件(注意取个好记的文件名)。

4）注意建模单位。各个模型要求的尺寸都是不一样的，一般尺寸的单位都是um，所以在建模之前要先设定好单位。ANSYS软件没有为系统指定唯一单位，因此我们可以根据自己的习惯和需要使用国际单位制或者工程单位制。如果单位不清楚或不一致会影响求解分析，导致结果错误或者精确度低等问题。

5）注意单元类型选择。在有限元分析过程中，对于不同的问题就需要不同的单元类

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型，在有限元分析之前选择和定义适合自己问题的单元类型是十分必要的，如果单元类型选择不当，会直接影响到计算能否继续和结果的精确度及准确度。

6）注意材料参数的设定。材料参数的单位要与模型单位一致，不一致也同样会影响到计算和结果。

7）在进行模型分析的时候，要注意施加约束和载荷的正确性，模态分析时注意上限频率设定的大一些，避免太低求解不了。

通过这学期得ANSYS学习，我初步掌握了使用ANSYS的基本方法和基本步骤，清晰地掌握了ANSYS的设计思路，已经能独立完成建模、求解和分析等过程。

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