Generación de modelos reducidos para micro-actuadores electrostáticos

Generation of models reduced for electrostatic micro-actuators

El costo computacional de los análisis multi- físicos necesarios en microsistemas ha exigido la creación de metodologías para generar modelos simplificados que provean resultados precisos de manera rápida y eficiente. Estas simplificaciones se conocen como la extracción del modelo de orden reducido (ROM); el modelo ROM captura comportamientos lineales y no-lineales de forma precisa, adicionalmente, dicho modelo se genera de forma tal que puede ser traspasado a simuladores de nivel de sistema. El presente artículo introduce un método automatizado para generar modelos ROM, este método se aplica al caso de una micro-viga actuada electrostáticamente; para tal estructura se muestran distintas simulaciones que caracterizan la deflexión de la estructura para diferentes excitaciones de voltaje. Los resultados muestran cómo una vez obtenido el modelo ROM se pueden llevar a cabo análisis sofisticados que son inmediatos frente al tiempo que toman las simula- ciones metafísicas.

1. INTRODUCCIÓN

El proceso de diseño de microsistemas o MEMS (acrónimo en inglés de Microelectromechanical Systems) tiene como objetivo principal obtener un dispositivo final que satisfaga al máximo las características iniciales requeridas. Para lograr este propósito se han establecido diferentes metodologías de diseño que incluyen una serie de pasos iterativos como lo son análisis, simulación y construcción. Disminuir al máximo el número total de iteraciones dentro de este proceso es un problema fundamental que plantea la metodología del diseño en microelectrónica ya que su consecución permite bajar los costos de producción y reducir los tiempos de puesta en el mercado. Dentro del proceso de diseño mencionado, la etapa de análisis se puede llevar a cabo de dos maneras distintas; mediante la construcción de un prototipo de prueba o por medio de simulaciones computarizadas (prototipaje virtual). Teniendo en cuenta los costos de fabricación y los problemas técnicos que conlleva realizar el test físico de MEMS, la etapa de análisis se logra fundamentalmente con modelaje y simulación [l].

En esta etapa de análisis el principal reto que surge es la realización de simulaciones multifísicas debidas al fuerte acople entre los distintos fenómenos físicos (eléctrico, magnético, estructural y térmico etc.). Este acople se da a nivel de un mismo dispositivo como entre dispositivos “cross-talk”, ejemplos de estos son: efecto piezoeléctrico y piezoresistivo, fuerzas estructurales producidas por un campo eléctrico o magnético, tensiones térmicas entre otros. Estos acoplamientos aumentan la complejidad del proceso de análisis, tanto en modelamiento como en simulación, al grado de que simular a nivel físico un microsistema, con diferentes componentes y teniendo en cuenta el detalle de cada uno de estos y su interacción conjunta, es inviable dado el costo computacional que se tiene. En consecuencia se debe recurrir a otro tipo de estrategia para la solución del problema [1].