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PSI 5109 - Simulação e Modelamento Comportamental de Sistemas Micro Eletro Mecânicos (MEMS)
Docente: Gustavo Pamplona Rehder
Carga horária: 120 horas

Este curso visa apresentar aos alunos de pós-graduação, técnicas de simulação comportamental de MEMS utilizando elementos de circuitos elétricos equivalentes (resistores, capacitores, indutores, etc.) em ambiente SPICE. Com isso, pretende-se que os alunos aprendam a simular MEMS e microestruturas móveis de uma forma completa, envolvendo tanto aspectos mecânicos (deslocamentos, velocidade e forças) como eletro-eletrônicos (tensões, correntes, capacitâncias e cargas), incluindo circuitos de controle e sensoramento de MEMS.

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O estudo de sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS) envolve, de uma forma geral, conhecimento de aspectos mecânicos (estáticos, dinâmicos, térmicos, fluídicos, entre outros) e eletro-eletrônicos (eletromagnetismo, controle e tratamento de sinais, entre outros), sendo portanto, um tema multidisciplinar. Justamente por isso, o desenvolvimento das estruturas mecânicas é feito de maneira diferente do desenvolvimento de circuitos eletro-eletrônicos. Assim, enquanto o projeto das estruturas mecânicas é baseado em simulações numérias por elementos finitos, utilizando softwares como Ansys, Comsol e Coventor, a simulação dos aspectos eletro-eletrônicos é realizada em ambientes específicos para simulação de circuitos, como SPICE, Cadance, ADS, Multisim e Proteus. Contudo, o projeto mecânico de MEMS está profundamente relacionado ao projeto elétrico e por isso a simulação comportamental envolvendo o sistema de forma unificada, envolvendo aspectos mecânicos e elétricos (“full-system simulation”) é de extrema importância. Através da simulação comportamental de MEMS é possível analisar a influências dos aspectos mecânicos (geometria, rigidez da estrutura, etc) na resposta dos circuitos elétricos e vice-versa. Além disso, estruturas mecânicas podem ser representadas por equivalentes elétricos, permitindo a utlização de poderosas ferramentas de simulação de circuitos elétricos. Em particular, a utilização de ferramentas amplamente conhecidas (caso do simulador SPICE) é outro aspecto central do curso.

(A) Teoria :

  1. Introdução à simulação de estruturas mecânicas.
  2. Modelos elétricos equivalentes para estruturas mecânicas.
  3. Modelos de ordem reduzida, concentrados e distribuídos.
  4. Modelos de circuitos equivalentes para transdutores lineares e não lineares.
  5. Modelos para pequenos e grandes sinais.

(B) Prática:

  1. Simulação no multiSIM
  2. Estudo de caso de MEMS eletrostáticos, térmicos, piezoelétricos e piezoresistivos.
  3. Circuitos de controle.
  4. Análises de sensibilidade e yield.

Representação de estruturas mecânicas utilizando elementos concentrados

1.     “Microsystem design,” Stephen D. Senturia, Kluwer Academic Publisher, 2002

2.     “Electromechanical Dynamics,” Herbert H. Woodson, James R. Melcher, John Wiley and Sons,1968. (link)

Representação de estruturas acústicas utilizando elementos concentrados

3.     “Acoustics for Engineers: Troy Lectures,” Jens Blauert, Ning Xiang, Springer, 2008.

Simulação comportamental de MEMS para grandes sinais utilizando elementos concentrados

4.     “Large-signal lumped-parameter macromodels for the equivalent circuit representation of electromechanical transducers,”  Wen F, Li W, Huang Q, Rong H. Journal of Micromechanics and Microengineering, 14(4) pp.452-461, 2004. (link).

Simulação comportamental de MEMS para pequenos sinais utilizando elementos concentrados

5.     “Equivalent circuit representation of electromechanical transducers: I. Lumped-parameter systems,” Harrie A C Tilmans Journal of Micromechanics and Microengineering, 6, pp. 157–76, 1996 (link).

Simulação comportamental de MEMS para pequenos sinais utilizando elementos distribuidos

6.     “Equivalent circuit representation of electromechanical transducers : II . Distributed-parameter systems, ” Harrie A C Tilmans, Journal of Micromechanics and Microengineering, 7, pp. 285-309, 1997 (link).

Simulação comportametal de Microfones MEMS

7.     Design, fabrication, and characterization of a MEMS dual-backplate capacitive microphone,” dissertation presented at University of Florida, 2007(link)

Contante de mola para diferentes estruturas

8.     Quick and dirty MEMS design,” Falco Systems Application note AN-2 (link). 

Simulação Eletro-Termo-Mechânica utilizando elementos concetrados 

9.     “An Electrothermomechanical lumped element model of an electrothermal bimorph actuator,” S. T. Todd and H. Xie, J. Microelectromechanical systems, 17, 2008. (link). 

Simulação Piezoelétrica utilizando elementos concetrados 

10.     “Controlled-Source Analogous Circuits and SPICE Models for Piezoelectric Transducers,” W. Marchall Leach, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics , and Frequency Control, 41, 1994. (link). 

 

Escalonamento para simulação eletrostática

http://www.kxcad.net/ansys/ANSYS/ansyshelp/Hlp_G_COU1_3.html

 

 

seta formulas exercicio 3.pdf


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Informações: Fórmulas para o exercício 3

seta PSI5109 - Intro MEMS Eletrost_ticos.pdf


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Informações: Introdução MEMS eletrostáticos

seta Simulacao e Modelamento Comportamental de Sistemas Microeletromecanicos.pdf


Cadastrado em 27/02/2013 às 12h11 | download | 2140448 bytes

Informações: Aula introdutória

seta ABM expressions Multisim.pdf


Cadastrado em 28/03/2012 às 12h30 | download | 54761 bytes

Informações: Expressões para utilizar na fonte ABM do programa Multisim

seta Exercicio 3 - Microfone.pdf


Cadastrado em 25/10/2010 às 15h36 | download | 144674 bytes

Informações: Exercício 3

seta Exercicio 2 - Chave.pdf


Cadastrado em 27/09/2010 às 12h52 | download | 216322 bytes

Informações: Exercício 2

seta 0071449566_ar008.pdf


Cadastrado em 27/09/2010 às 12h50 | download | 1010587 bytes

Informações: Beams; Flexure of Straight Bars - Roark’s Formulas for Stress and Strain

seta Exerc_cio 1 - Carro.pdf


Cadastrado em 20/09/2010 às 15h55 | download | 231452 bytes

Informações: Exercício 1