Когда я говорю об «интернете вещей» (системе контроля физических объектов через интернет), я в основном думаю о датчиках и прочих микроэлектромеханических системах (МЭМС) и устройствах, которые обеспечивают работу всей этой техники. Размеры этих крошечных устройств обычно составляют от нескольких микрон и до миллиметра. Они способны видеть, слышать и измерять параметры окружающей среды, запускать какое-либо действие или записывать данные, отправлять их куда потребуется. МЭМС-датчики включают в себя гироскопы, акселерометры, микрозеркала, датчики давления, температуры и влажности. Прямо сейчас только в непосредственной близости от меня находятся МЭМС-датчики фитнес-трекера, смартфона, ноутбука и электрического чайника. МЭМС-датчики являются неотъемлемой частью перспективных систем Connected Soldiers и Connected Cars.
Для того, чтобы выполнять свою работу по обеспечению взаимодействия человека с интернетом вещей, микроэлектромеханические системы должны функционировать так, как ожидается, и тогда, когда ожидается. Разработчики и производители должны быть уверены, что их датчики и МЭМС-устройства обеспечивают нужные рабочие характеристики, несмотря на их маленькие размеры, сложное устройство и жесткие запросы рынка, требующего новых и инновационных разработок в кратчайшие сроки. К счастью, моделирование в ANSYS может помочь разработчикам в решении этих задач. Больше информации вы можете узнать из материалов вебинара об интернете вещей - «Моделирование датчиков и МЭМС с помощью ANSYS» (IoT: Modeling Sensors and MEMS with ANSYS), который состоялся 16-го июня.
Наиболее потрясающим в МЭМС-устройствах является их крошечный размер, который и представляет основную трудность при разработке и испытаниях. Есть замечательные фотографии МЭМС-устройств от Sandia National Laboratory, на некоторых из них для масштаба запечатлен паутинный клещик. Фотографии демонстрируют, насколько крошечными и сложными являются МЭМС. Производственные трудности в этом диапазоне размеров легче преодолеваются с использованием самых современных технологий, таких как 3D-печать и передовые достижения производства полупроводников. Изготовление крошечных прототипов и дальнейшее измерение их рабочих характеристик является, мягко говоря, сложной задачей. К счастью, анализ в ANSYS не имеет ограничений на размеры и позволяет понять особенности работы конструкции на тех масштабах, где натурные испытания этого не позволяют.
Предоставлено Sandia National Laboratories, Summit ™ Technologies, www.sandia.gov/mstc
Понимание работы МЭМС устройств крайне важно, так как они сложно устроены. Их работа зависит от взаимодействия между механическими и электрическими силами. Попытки проводить наблюдения и физические измерения этих сил для получения нужных характеристик затруднительны. Вместе с тем, улучшить рабочие характеристики, не имея достоверных данных о них, практически невозможно. К счастью, благодаря компьютерному моделированию можно оценить взаимодействие между механическими и электрическими силами, предсказать характер работы и характеристики устройства. Здесь следует отметить, что ANSYS относится к тем программным продуктам, которые позволяют точно и достоверно моделировать сложные задачи, связанные со взаимодействием различных физических эффектов.
Распределение напряжений по гироскопу в гармоническом анализе
Для обеспечения целостности разработки, данные по каждому устройству могут быть использованы для оптимизации всего продукта в целом. Это очень важно, так как датчики и другие МЭМС-устройства должны надежно работать в широком спектре эксплуатационных условий и даже при наличии повреждений. На сайте той же Сандийской национальной лаборатории имеются видеоролики, в которых МЭМС-устройства переживают встречу с тлёй или паутинным клещем. И вправду, МЭМС-устройства, в зависимости от назначения, должны быть способны переносить встречу с небольшими насекомыми, нагрев, повышенную влажность, вибрации и коррозионные среды. Некоторые МЭМС-устройства, чтобы выполнить свое предназначение, должны выдерживать катастрофические условия – подумайте о МЭМС в космосе или о датчиках, которые служат для мониторинга воздуха при катастрофах. Необходимо чрезвычайно много времени и денег для проведения физических испытаний при более чем нескольких режимах работы. Из-за этого разработчикам и производителям МЭМС необходимо расставлять и комбинировать режимы работы в порядке значимости. К сожалению, при таком подходе что-то может быть упущено. Моделирование, объединенное с оптимизацией, позволяет изучить влияние на рабочие характеристики МЭМС широкого диапазона режимов работы и параметров окружающей среды. Использование ANSYS для моделирования МЭМС открывает новые пути для преодоления физических ограничений и дает возможность создавать инновационные разработки.
Источник: http://www.ansys-blog.com/mems-design-challenges/
Автор: Chris Wolfe