MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Átírás

1 MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc BME Elektronikus Eszközök Tanszéke

2 Smart Systems Integration EMMC+ Az EU által támogatott 2 éves mesterképzési (MSc) program (SSI), (SSI+) I. II. szemeszter: alapok, technológiai ismeretek III. szemeszter (BME): rendszertervezés és integráció 2

3 MEMS Mikroelektromechanikai rendszer A szilícium mikromegmunkálási lehetőségei a 90-es évekre à mikroszerkezetek megvalósítása Méretredukció à erőhatások arányainak megváltozása à skálázási törvények gravitáció hatása elhanyagolható gyorsulás, elektrosztatikus erők nagy érzékenységgel mérhetők à jó jel-zaj viszony

4 Az integrált okos rendszer Integrált Okos Rendszer Integrált Mikrorendszer MEMS Skálázási hatások Jelkondícionálás Elhanyagolható gravitáció a chipen Gyorsulás érzékelése, jó SNR Elektrosztatikus mozgatás és érzékelés Jelfeldolgozás és döntéshozás a chipen 4

5 Az integrált okos rendszer Integrált Okos Rendszer Integrált Mikrorendszer MEMS Skálázási hatások Jelkondícionálás Elhanyagolható gravitáció a chipen Gyorsulás érzékelése, jó SNR Elektrosztatikus mozgatás és érzékelés Jelfeldolgozás és döntéshozás a chipen 5

6 Az integrált okos rendszer Jelfeldolgozás Döntési algoritmus Fizikai hatás Döntés 6

7 Hallgatói Projekt Légzsák nyitó integrált okos rendszer tervezése Döntési algoritmus Gyorsulás Jelfeldolgozás Döntés

8 Ütközésirány diszkrimináció

9 Top-Bottom tervezési szemlélet Digitális viselkedési modell (Verilog, VHDL) Absztrakt modell Analóg viselkedési modell (VHDL-AMS) Végeselem modell - Sávszélesség - Tarnziens viselkedés - Érzékenység - Paraziták Redukált modell (VHDL-AMS) Multidomén verifikáció (Verilog, VHDL) Szintézis Fizikai tervezés Fizikai tervezés Időzítés analízis Parazita extrakció Techn. könyvtár Elhelyezés, verifikáció (DRC, LVS, LPE) Digitális domén Analóg domén Mechanikai domén

10 Top Bottom tervezés a gyakorlatban Rendszer specifikáció EuroNCAP adatok Model preparation, MEMS Design Redukált rendű modell Analog viselkedési modell Digitális viselkedési modell SSIT Komponens szintű specifikáció Analóg ák. tervezés Digitális ák. terv. 09/09/

11 Lengés szuperpozíció Az u rezgő struktúrális rendszer leírható m lengéskép súlyozott összegeként Kezdeti deformáció i-edik lengés amplitúdó i-edik lengéskép Frequency Time 09/09/

12 Lengés szuperpozíció Modális csillapítási tény. Körfrekvencia Alakváltozási en. Nodális erők Skálázási tényező Elemre hat. erők Számítandó: Lengésképek, lengés amplitúdók, alakváltozási energia 09/09/

13 ROM generálási lépések Ø Modell geometria méretezés Ø Modális analízis à Lengésképek számítása Ø Teszt-terhelés à Domináns és releváns lengésképek kiválasztása Ø Alakváltozási energia függvény számítása Ø Modell gerjesztés különböző stimulusokkal à Tranziens viselkedés számítása Ø Analóg áramkör szimuláció Ø Digitális áramkör szimuláció ANSYS Workbench SSIT

14 Modell geometria méretezés APDL APDL APDL APDL Parametrikus geometria generálás Hálózás Névterek beállítása

15 Lengésalakzatok meghatározása *** FREQUENCIES FROM BLOCK LANCZOS ITERATION *** MODE FREQUENCY (HERTZ) Példa lengésalakzat (3. módus) 09/09/

16 Mesternódusok kiválasztása A test tipikus mozgását reprezentáló nódusok kiválasztása 09/09/

17 Lényeges lengésképek kiválasztása Tesztelési terhelés A rendszert a tipikus deformációs állapotba viszi Lengésképek Deformáció a tesztelési terhelés hatására Módus kontribúciós tényezők DOMINANT RELEVANT UNUSED 09/09/

18 Lényeges lengésképek kiválasztása MODE 1 MODE ID = 1 RELEVANCY = DOMINANT FREQUENCY = A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF % MODE 2 MODE ID = 2 RELEVANCY = UNUSED MODE 3 MODE ID = 3 RELEVANCY = DOMINANT FREQUENCY = A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF % MODE 4 MODE ID = 4 RELEVANCY = UNUSED MODE 5 MODE ID = 5 RELEVANCY = RELEVANT FREQUENCY = E+06 A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF 0.40 % MODE 6 MODE ID = 6 RELEVANCY = UNUSED 09/09/

19 Alakváltozási energia számítása Az alakváltozási energia kiszámítása a struktúrát saját lengésamplitúdók lineáris kombinációjával gerjesztve Az így kapott paraméter térben polinomiális függvény illesztés Φ 3 q 3 q 1 09/09/2014 Φ 1 19

20 A redukált modell használata - USE pass A redukált modell (ROM) együtthatói egy adatfájlban tárolódnak, ez tölthető be a ROM144 elembe Modális szabadsági fok EMF modális erők Mech. szabadsági fok UX mesternódus elmozd. ROM144 Gerjesztő mennyiségek Gerjesztő amplitúdók Elektromos szabadsági fok VOLT meghajtó feszültség 09/09/

21 SSIT Smart Systems Integration Test Environment ROM144 Analóg Digitális

22 SSIT Smart Systems Integration Test Environment ROM Analog Digital

23 Esettanulmány VW Tiguan légzsáknyitó integrált okos rendszer tervezése

24 EuroNCAP adatok gyorsulás-idő grafikon elemzése

25 Méretezett geometria és statikus szimuláció

26 Meghatározó lengésképek kiválasztása

27 Jelfeldolgozás Piezorezisztív ellenállás Erősítő fokozat Döntési algoritmus Légzsákhoz

28 Tranziens viselkedés vizsgálata - SSIT 3.51 kω 3.42 kω 30 msec A lengő tömeg felfüggesztésébe integrált piezorezisztív érzékelő kimeneti jele

29 Keresztverifikációs eredmények

30 Összefoglalás Rendszer specifikáció Model preparation, MEMS Design Redukált rendű modell Analog viselkedési modell Digitális viselkedési modell SSIT Komponens szintű specifikáció Analóg ák. tervezés Digitális ák. terv. 09/09/