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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
微型機電系統（MEMS）是介于電子器件和機械器件之間的微米級系統。在MEMS器件中，電信號會輸入到器件中，然后輸出是一個機械響應，反之亦然（機械輸出將對應電信號輸入）。不過，MEMS始終需要具備機械功能，即便其內部的機械結構并沒有明顯的運動。因此，盡管包含先進的電子器件，但它們通常會被稱為機械系統。
MEMS包含大量微型化電子元件及機械結構，其中包括致動器、微傳感器、懸臂、微鏡、薄膜、小型通道、開關、空腔，以及作為MEMS的“大腦”和控制中心的微電子集成電路（IC）。一般情況下，由硅基板構成IC，然后上面會添加其它微系統組件。
MEMS技術問世已有數年，而且隨著“小型化”技術發展趨勢，其被視為電子技術的未來。這是因為MEMS制造是基于當前使用的現有半導體微加工技術，例如表面微加工、光刻和干式蝕刻等。
盡管MEMS現在是一項極為成熟的技術，但直到2006年任天堂在其Wii遙控器中使用了基于MEMS的加速計，其才有了大量的商業應用。從那時起，MEMS器件在許多應用領域和工業領域都得到了普及。通過這一擴張和市場滲透，現在已出現了種類繁多的MEMS器件，它們能夠集成和組合許多具有不同電氣和機械特性的小型部件和組件，從而構建出獨特的高性能微米級系統。
MEMS器件的類型
許多MEMS器件都具有傳感、致動或諧振功能，可充分利用高級半導體制造技術來構建具有低功耗的高精度小型輕量級器件。
許多MEMS器件被應用在傳感器和致動器領域。這兩個領域之間的主要區別在于：傳感器會將非電信號（如機械信號）轉換為電氣輸出，而致動器則將接受電信號并將其轉換為機械運動。
許多MEMS組件可安裝在硅晶圓上，而且工程師現在可獲得微米級器件，其中傳感器可以與其它電子信號調節電子器件共置，從而構建出更類似于傳感器的系統，而不僅僅是 “MEMS傳感器”。
MEMS器件通常分為四大類：電容式、陀螺儀式、壓電式和激光式MEMS。許多MEMS器件通常屬于一個或多個類別，因此很難將器件單獨歸為一類。不過，其可分為以下主要類別：
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電容式MEMS：電容式MEMS用于導電應用，MEMS中的內部元件會檢測電容變化。
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陀螺儀式MEMS：陀螺儀式MEMS通過將物體上的慣性力與參考值進行比較來測量系統的角速率。
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壓電式MEMS：當器件出現機械變形時，這些MEMS會利用壓電效應（重新分配材料晶格中的電荷）來產生電流。
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激光式MEMS：激光式MEMS通過將其輸出波長調整至所需的電磁頻譜大小/區域來調諧激光器。其可用于為不同應用調諧不同類型的激光，從聲光濾波器到光學通信和汽車照明，不一而足。
許多MEMS傳感器屬于慣性測量單元（IMU）類別，其會將機械響應轉換為電信號輸出。IMU可用于包括安全氣囊部署、虛擬現實頭戴設備、無人機導航和地圖系統的陀螺儀，以及用于視頻游戲機、攝像頭和飛機姿態控制系統應用的加速計。
一些常見的致動器包括數字光處理（DLP）芯片、揚聲器、微泵、旋轉微電機、鉗子、打印機、微齒輪、微閥、微鏡和開關等。開關是重要的致動器應用領域，需要了解“拉入”電壓以及拉入和釋放電壓之間的滯后，才能優化超小型開關的設計。
另一個基于MEMS的傳感器是觸覺傳感器，其包含電活性膠帶，這些膠帶按壓時會產生氣泡并發出電信號，或通過使用磁效應和電活性流體來產生電信號，其應用包括觸摸屏和指紋傳感器。其它MEMS傳感器，還包括氣體傳感器和應變傳感器等。
MEMS振蕩器是另一個非常重要的器件架構。MEMS振蕩器包含一個使用模擬驅動器生成壓電激勵的諧振器。MEMS振蕩器可產生從1赫茲（Hz）到數百兆赫茲（MHz）的穩定頻率。
射頻（RF）濾波器是另一種基礎MEMS器件，目前是MEMS技術最大的市場之一。在這種情況下，機械輸出會創建一款小型低成本的濾波器，其可執行多種濾波功能，其中包括寬帶、窄帶、低通和高通濾波。在RF濾波器領域，MEMS可用于構建聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器。
MEMS應用的多樣性
MEMS器件種類繁多，在汽車、航空航天、國防和醫療保健等眾多應用和行業中，MEMS 都發揮著重要作用。比如，MEMS傳感器可用于檢測不同行業中的各種刺激，包括聲學、流體流動、溫度、壓力、半導體制造設備的真空度、慣性效應、磁場、化學品以及輻射等。
MEMS傳感器器件的一些常見示例包括紅外探測器、磁力計、溫度傳感器和壓力傳感器等。MEMS加速計、陀螺儀和其它慣性傳感器被廣泛用于航空航天領域，在該領域中，一切都在高速運轉，所以傳感操作需要極高的精度。
此外，MEMS還可用于小型能量收集應用，其不僅可為醫療及健康監控可穿戴設備和植入式醫療器械（IMD）（屬于bioMEMS子領域）供電，而且還可為其它小型便攜式電子產品供電。在便攜式消費類電子產品領域，MEMS既可在智能手機中用作RF濾波器，也可用作觸摸屏顯示器的觸覺傳感器。其它RF濾波器（SAW或BAW）目前可用于Wi-Fi、藍牙和長期演進（LTE）應用。
除了更多常規應用之外，MEMS還存在于許多專業領域，包括自動駕駛汽車、安全氣囊部署以及自動化應用中的傳感器；高清投影儀的微鏡陣列；噴墨打印頭；微型換熱器；用于低損耗通信的光交換機和光子器件；以及，微流體器件等。
設計MEMS的考量因素
MEMS尺寸小、靈敏度高，易于受到任何運動或沖擊的影響，從而可能會導致錯誤信號，因此其設計和制造流程可能會面臨大量挑戰。此外，還需要在器件中加入熱補償和離軸補償并加以考慮。設計MEMS的挑戰在于：其很小、幾何結構很復雜，但機械部件的運動卻小得多（小幾個數量級）。因此，需要借助高級仿真功能來了解MEMS的結構和工作情況，并確保設計非常穩健，以完全應對制造過程中存在的自然變差。
MEMS器件中的一切均由靈敏度和質量系數決定，該系數是衡量能耗的指標。然而，MEMS器件的頻率可能非常高，因此需要加以考慮：對于慣性傳感器而言，其頻率在數百千赫（KHz）至兆赫（MHz）之間，而對于RF濾波器而言，頻率可達千兆赫（GHz）。濾波器是階躍函數，因此預測耦合位移和電壓場的準確性至關重要，精度決定了濾波器曲線的斜率，即從0到無窮大。濾波器要具有陡峭的響應曲線，才能成為有效濾波器，因此需要非常精確的工具來準確評估該曲線的陡峭程度以及其對溫度變化的敏感性。
對于許多MEMS器件來說，設計和優化機械組件中使用的尺寸和材料，是設計流程最重要的環節之一。通過查看輸入，并了解信號如何在器件兩個點之間傳輸，以及最終輸出的內容，可設計出最佳結構。如果所得到的輸出與給定輸入不匹配，則說明設計空間不是最佳的。這些方面都可以通過使用先進的仿真軟件來分析和求解，從而設計出高性能的MEMS器件。
哪些仿真工具可用于設計MEMS？
仿真工具不僅需要能夠構建復雜的設計，而且還需要具有高精度。Ansys工具具有皮米級分辨率，因此這些仿真工具不僅可用于MEMS，而且還可用于其相對應的更小納米技術產品，即納米機電系統（NEMS）。NEMS仿真，其實就像把設計放大到更小的尺度，而皮米分辨率則可提供這種功能。
一個聲表面波（SAW）器件的單個扇區，在其中一對叉指電極上施加2.2 GHz交流信號后，顯示出結構性駐波
對于MEMS性能設計和仿真，可使用Ansys Discovery和Ansys Mechanical軟件。先使用Ansys Discovery進行預處理，然后使用Ansys Mechanical進行仿真。Discovery可用于布局不同的幾何結構并處理MEMS制造過程中工藝引起的變化，例如研究蝕刻工藝并將其與制造過程中可能測量的關鍵尺寸相關聯。使用Discovery軟件，可以在通過Mechanical進行仿真之前，對幾乎所有不同的幾何結構變化進行預處理，其中這些幾何結構和所有其它特性均可通過晶圓級仿真縮放。對于更詳細、更獨特的幾何結構變化，可以使用各種自動方法移動Mechanical中代表幾何結構的節點。
使用具有皮米分辨率的專用預處理和晶圓級仿真方法，不僅有助于加速設計進程，而且還可確保設計準確，確保其具有所需的規范，從而可為其預期應用提供高性能MEMS器件。
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