利用SIMULIA Abaqus和CST Studio Suite推进MEMS SAW气压传感器设计

微机电系统 （MEMS） 自 1990 年代初发展以来彻底改变了半导体市场，目前约占全球市场的 20%。其中，表面声波 （SAW） 设备因其在传感应用中的卓越灵敏度和多功能性而脱颖而出。我们利用 SIMULIA Abaqus 和 SIMULIA CST Studio Suite 进行的最新仿真研究，检查了 MEMS SAW 气压传感器的性能分析，展示了强大的多物理场仿真工作流程。

了解 SAW 气压传感器

本研究的核心 SAW 传感器建立在沉积在基板上的压电材料（例如 LiNbO3）之上。金属薄膜反射器放置在压电层的两端，中间有数字间换能器 （IDT）。气体传感的一个关键组成部分是 IDT 顶部的聚异丁烯 （PIB） 吸收层，旨在捕获目标气体分子，例如二氯甲烷 （DCM）。传感器的灵敏度由必须吸收的 DCM 分子的最小质量决定，这些分子必须被吸收才能引起可检测到的谐振频率偏移。

全 3D 模型模拟，每个节距 15 步 （~0.04um），总共有 246 万个元素和 1900 万个变量。

SAW 传感器的工作原理是，沿压电基板传播的表面声波受到材料表面的外力或质量变化的影响。这种相互作用导致传感器输出发生可测量的变化，使其成为气体和化学传感、压力传感、温度传感和生物医学应用的理想选择。

仿真在 SAW 传感器设计中的强大功能

模拟 SAW 传感器对于理解和优化其行为至关重要。我们的方法采用有限元分析 （FEA） 来模拟传感器的结构并预测不同负载质量下的谐振频率。仿真工作流程，从 CST Studio Suite 中的初始模型创建到 Abaqus 中的 FEA，为详细分析、优化和测试提供了一个虚拟环境，从而实现更高效、更可靠的传感器设计。

我们全面的仿真工作流程

我们的仿真策略涉及多个级别的模型简化，从晶胞到完整的 3D 模型，为设计人员提供了灵活性。我们采用三种主要方法来检测谐振频率：

• 特征模求解器：用于直接识别自然模式。

• 稳态直接 （SSD） 求解器：扫描频率范围以查明共振的峰值位移或动能。该方法应用于晶胞、2D 全长和全 3D 模型。

• 动态-隐式求解器：使用短脉冲激励进行瞬态分析，然后对时间响应进行快速傅里叶变换 （FFT） 以揭示共振。

主要模拟研究和发现：

• 基本晶胞模型（研究 a）：我们定义了压电材料特性并应用了周期性边界条件。模拟表明，将PIB层的质量增加1%和10%会使谐振分别向下移动1.1 MHz和10 MHz。

• 扩展 3D 单单元 SSD（研究 b）：该模型结合了母线和吸收边界。虽然由于网格密度和吸收边界松弛，绝对谐振频率略有变化，但对质量载荷的敏感性与之前的研究结果保持一致。

• 全长模型（研究 c）：为了考虑延迟线和反射器，使用了简化的单细胞厚度模型。SSD 分析在这里被证明是有效的，揭示了由于表面波和体波引起的多种共振。反射条数量增加一倍会影响质量系数并引入更多共振。

• 全 3D 模型（研究 d）：虽然计算密集型，但完整的 3D 模型提供了对波-基板相互作用、反射和叠加的详细分析，从而能够精确调整设计的共振并减少不需要的共振。

左图显示了晶胞模型和等效的 BVD 电路。右图显示了原始S参数（FEA）和电路模型的比较。

提取电气特性

我们工作流程的一个关键方面是从仿真结果中提取阻抗和 S 参数。这些数据对于系统级电磁分析、信号匹配、传感器效率和降噪至关重要。我们可以提取巴特沃斯-范戴克（BVD）等效电路参数，为设计人员提供直观的信息，可用于早期系统级设计。对于更复杂的模型，建议直接使用 S 参数或改进的 BVD 电路以获得更高的精度。

结论：MEMS SAW 传感器设计的整体方法

我们全面的多物理场 MEMS 仿真工作流程利用 SIMULIA Abaqus 和 SIMULIA CST Studio Suite，为 SAW 化学气体压力传感器提供从 CAD 建模到 FEM 分析的完整解决方案。通过采用各种最先进的求解器并提供不同级别的模型简化，设计人员可以获得对传感器行为的宝贵见解，包括对质量变化的敏感性和不需要的共振的识别。这种方法最终导致 MEMS SAW 传感器领域的经济高效开发、优化设计和加速创新。