CC BY
44
электронное
научно-техническое и з л а н и е
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408
77-30569/256111 Методы моделирования микрооптоэлектромеханических подсистем.
# 11, ноябрь 2011
авторы: Косолапов И. А., Зинченко Л. А.
УДК. 21474
МГТУ им. Н. Э. Баумана maks benbou@mail.ru
Введение
В настоящее время большое распространение получили микросистемы, сочетающие в себе различные физические эффекты. Разработка методов моделирования подсистем различной физической природы [1 - 3], а так же методов перехода между подсистемами различной физической природы, является одним из важнейших задач моделирования.
В работе на примере микрооптоэлектромеханического акселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо рассматривается моделирование подсистем различной физической природы, а так же методы перехода между ними с использованием языка формального описания УНЭЬ-АМ8.
Междисциплинарные связи между подсистемами различной физической природы
В микрооптоэлектромеханических системах [6] можно выделить три основные подсистемы: оптическую, механическую и электрическую/
Оптическая подсистема моделировалась в пакете МАТЬАВ/8тиНпк. Данный пакет выбран, исходя из совместимости с языком УНЭЬ-АМ8.
УНЭЬ это формальный язык описания цифровой аппаратуры. Расширение АМ8 позволяет описывать смешанные аналого-цифровые устройства. В [4, 7] приведены математические модели оптической подсистемы исследуемого микрооптоэлектромеханического акселерометра:
1=1«
АГ.Г. _ / 11 1 smlrr+:
l+Fsin о = —nt-cosl
Л У
и
1=1.
= а
(1)
(2)
(3)
(4)
1 = 1-
(1-äJ1 +4R-siri
W)
(5)
Выбранные модели были реализованы в специальном модуле в пакете МАТЬАВ/8тиНпк, позволяющем рассчитывать параметры интерферометра. На основе разработанного программного обеспечения были получены зависимости чистоты отражения от коэффициента отражения зеркала (рис. 1), зависимость коэффициента контрастности от коэффициента отражения (рис. 2), а так же интенсивность излучения после прохождения интерферометра (рис. 3).
Рисунок 1 - Зависимость чистоты отражения от коэффициента отражения зеркала К
К
0
3 ф
ф
II Ц
II
е н
1
к
0 н
г р
а
1
н
о
г и
800 700 600 500 400 300 200 100
1
.........
0 5 0 55 0 6 0 65 0 7 0 75 0 3 0 05 0 9 0 55 1 Коэффициент отражения зеркала К
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента контрастности от коэффициента отражения зеркала Я.
К = Мачи^ к с1 ц соз Б
Рисунок 3 - Интенсивность излучения интерферометр после прохождения интерферометра.
Моделирование механической подсистемы проводилось в программном комплексе Л№У8. В качестве объекта моделирования была выбрана подвижная масса микрооптоэлектромеханического акселерометра. На рисунке 4 представлена модель подвижной массы, созданная в программном комплексе Л№У8. Данный программный комплекс для решения использует метод конечных элементов [5]. При моделировании использовалась эквивалентная модель подвижной массы. Входящая в состав программного комплекса утилита ЯОМТсС позволяет представить созданный объект в виде описания на языке УЫЭЬ-ЛМ8.
У
Рисунок 4 - Модель подвижной массы микрооптоэлектромеханического акселерометра.
Для осуществления контроля микрооптоэлектромеханического акселерометра необходима управляющая подсистема. В ее функции входит контроль параметров микрооптоэлектромеханического акселерометра, а так же снятие, преобразование и вывод сигнала. Подсистема представляет собой матрицу светочувствительных диодов, подключенную к усилителю, а затем к модулю сбора,
преобразования и вывода информации. Данная система также описывается на языке VHDL-AMS при помощи программного продукта SMASH.
Методы перехода между оптической, механической и управляющей подсистемами, с учетом иерархического подхода, приведены на рисунке 5.
Заключение
Разработка методов переходов между подсистемами различной физической природы, выявление достоинств и недостатков этих методов, а так же их применение для решения практических задач имеет большое значение при проектирование микрооптоэлектромеханических систем.
Рисунок 5 - Методы перехода между оптической, механической и управляющей подсистемами.
Преимуществом использования языка УНЭЬ-АМ8 является его универсальность, возможность описания смешанных аналого-цифровых систем, а так же поддержка многими программными пакетами, используемыми при моделировании микрооптоэлектромеханических систем.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант 10-07-00171-а).
Литература
1. А. А. Самарский, А.П. Михайлов. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. — М: Наука, 1997. — 320 с.
2. Введение в математическое моделирование. Учебное пособие. Под ред. П. В. Трусова. — М.: Логос, 2004.
3. А. Д. Мышкис. Элементы теории математических моделей. — 3-е изд., испр. — М.: КомКнига, 2007.
4. И.А. Косолапов. Моделирование микроакселерометра на основе интерферометра Фабри-Перов САПР А№У8, 9 молодежная международная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы». - М.:МГТУ, 2009. - С.108-111.
5. Р. Галлагер. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.
6. В.А. Шахнов, Л. А. Зинченко. Особенности математического моделирования в задачах проектирования наносистем. Информационные технологии и вычислительные системы, №4, 2009. С. 84-92.
7. И.А. Косолапов. Иерархическое многомасштабное моделирование микрооптомеханических систем, III Всероссийская школа-семинар для студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» - Калуга : КФ МГТУ, 2010. - С.187 - 191.
