MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc BME Elektronikus Eszközök Tanszéke
Smart Systems Integration EMMC+ Az EU által támogatott 2 éves mesterképzési (MSc) program 2014-2019 (SSI), 2019-2022 (SSI+) I. II. szemeszter: alapok, technológiai ismeretek III. szemeszter (BME): rendszertervezés és integráció 2
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
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
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
Az integrált okos rendszer Jelfeldolgozás Döntési algoritmus Fizikai hatás Döntés 6
Hallgatói Projekt Légzsák nyitó integrált okos rendszer tervezése Döntési algoritmus Gyorsulás Jelfeldolgozás Döntés
Ütközésirány diszkrimináció
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
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. 09/09/2014 10
Lengés szuperpozíció Az u rezgő struktúrális rendszer leírható m lengéskép súlyozott összegeként Kezdeti deformáció i-edik lengés amplitúdó i-edik lengéskép Frequency Time 09/09/2014 11
Lengés szuperpozíció Modális csillapítási tény. Körfrekvencia Alakváltozási en. Nodális erők Skálázási tényező Elemre hat. erők Számítandó: Lengésképek, lengés amplitúdók, alakváltozási energia 09/09/2014 12
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
Modell geometria méretezés APDL APDL APDL APDL Parametrikus geometria generálás Hálózás Névterek beállítása
Lengésalakzatok meghatározása *** FREQUENCIES FROM BLOCK LANCZOS ITERATION *** MODE FREQUENCY (HERTZ) 1 39007.65936634 2 43881.99154409 3 59872.58279961 4 104499.7936580 5 243360.5854989 6 290566.1174567 Példa lengésalakzat (3. módus) 09/09/2014 15
Mesternódusok kiválasztása A test tipikus mozgását reprezentáló nódusok kiválasztása 09/09/2014 16
Lényeges lengésképek kiválasztása Tesztelési terhelés A rendszert a tipikus deformációs állapotba viszi Lengésképek Deformáció a tesztelési terhelés hatására Módus kontribúciós tényezők DOMINANT RELEVANT UNUSED 09/09/2014 17
Lényeges lengésképek kiválasztása MODE 1 MODE ID = 1 RELEVANCY = DOMINANT FREQUENCY = 39008. A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF 69.020 % MODE 2 MODE ID = 2 RELEVANCY = UNUSED MODE 3 MODE ID = 3 RELEVANCY = DOMINANT FREQUENCY = 59873. A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF 30.572 % MODE 4 MODE ID = 4 RELEVANCY = UNUSED MODE 5 MODE ID = 5 RELEVANCY = RELEVANT FREQUENCY = 0.24336E+06 A MODAL CONTRIBUTION FACTOR OF 0.40 % MODE 6 MODE ID = 6 RELEVANCY = UNUSED 09/09/2014 18
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
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 09/09/2014 20
SSIT Smart Systems Integration Test Environment ROM144 Analóg Digitális
SSIT Smart Systems Integration Test Environment ROM Analog Digital
Esettanulmány VW Tiguan légzsáknyitó integrált okos rendszer tervezése
EuroNCAP adatok gyorsulás-idő grafikon elemzése
Méretezett geometria és statikus szimuláció
Meghatározó lengésképek kiválasztása
Jelfeldolgozás Piezorezisztív ellenállás Erősítő fokozat Döntési algoritmus Légzsákhoz
Tranziens viselkedés vizsgálata - SSIT 3.51 kω 3.42 kω 30 msec A lengő tömeg felfüggesztésébe integrált piezorezisztív érzékelő kimeneti jele
Keresztverifikációs eredmények
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. 09/09/2014 30