Multiphysics Simulation模擬軟件 助力可靠結構和可穿戴系統(tǒng)

       消費者對小型化電子產品和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產品的需求日益增長，為微型元器件（例如，致動器、控制器、驅動器、傳感器和發(fā)射器）的設計專家?guī)硇碌奶魬?zhàn)。從響應式設備和可穿戴式監(jiān)視器，到節(jié)能型辦公室照明和工廠自動化，工程師用可靠創(chuàng)新的產品在微型半導體元器件與我們的宏觀世界之間架起一座橋梁。這種需求變化激發(fā)工程師在數(shù)值模擬的虛擬世界中探索創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新的解決方案。

       作為全球領先的半導體設計和制造企業(yè)，意法半導體擁有7,500多名研發(fā)人員。意法半導體的技術研發(fā)工程師Lucia Zullino解釋了他們的工作方向?！霸谖覀兊难芯款I域，我們需要分析非常小的微觀結構，并弄明白在各種環(huán)境和應用領域中，這些微型結構與不同配置的大型封裝的交互作用?！边x擇材料和設計對半導體制造至關重要，數(shù)值模擬在材料選擇和性能參數(shù)評估中發(fā)揮重要作用?！拔覀兊拇蟛糠止ぷ鞫际窃贑OMSOL Multiphysics模擬軟件上完成的，用它來驗證假設條件并優(yōu)化產品，”Zullino解釋道。 “意法半導體有大約30名工程師在用這個軟件，雖然我們屬于不同的部門，工作在不同的地區(qū)，但是我們堅持將過去幾個項目中使用過的數(shù)學建模技術知識積累起來并相互分享。”

       使用Multiphysics模擬軟件研發(fā)產品

       模擬技術用于理解多個物理場在每個產品開發(fā)階段的相互作用，例如，優(yōu)化外延反應器，以縮短晶圓生產周期；在濕蝕刻過程中控制反應物流動變形；探究裸片與封裝的微觀交互作用。除研制芯片外，意法半導體的工程師還致力于微型致動器的設計研制，例如，光學識別技術和攝像機所用的微鏡。另一個與致動器相關的項目是，使用模擬方法研究噴墨打印頭的性能，并比較兩個不同的噴墨原理的效果：通過氣泡產生的壓力噴墨或使用由PZT（由鋯鈦酸鉛制成的陶瓷材料）驅動的薄膜噴墨。

通過模擬分析方法，研究人員能夠確定，薄膜壓電打印頭更好地兼容多種墨水，打印速度更快，打印輸出質量更高，打印頭壽命更長。

       監(jiān)測混凝土健康狀況

       多年來，政府和企業(yè)一直在應用各種傳感器技術來監(jiān)測混凝土的性能。在一個開發(fā)項目中，我們采用模擬方法分析混凝土的性質，并預測嵌入式傳感器（圖1）監(jiān)測隨年齡變化的參數(shù)并將信號傳遞到表面的能力。意大利已經開始在各種建筑物結構中應用這種結構健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)，評估混凝土的健康狀況，并記錄任何可能影響結構完整性和系統(tǒng)可靠性的意外應力。

圖1.嵌入式結構健康監(jiān)測傳感器的外形結構，藍色部分是傳感器。

       穿戴醫(yī)療監(jiān)測設備

       在過去的幾年里，意法半導體開發(fā)出許多醫(yī)療用解決方案。其中一個原型項目采用貼片測量人體內器官（例如心臟）的生物阻抗（圖2）。研究人員利用人體器官的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一個3D模型（圖3），在頻域中運行一個AC/DC模擬程序（圖4），并評估電極形狀和位置對生理參數(shù)測量的影響。模擬結果（圖5）與實際測量值的相關性很高，并且能夠開發(fā)出能夠指示生理變化的可穿戴可配置貼片。這些傳感器將使醫(yī)生能夠監(jiān)測心臟的各種狀況，獲得實時數(shù)據(jù)，以便使用最新技術為患者提供最佳護理。

圖2：人體器官生物阻抗測量方法

       圖3.使用CAD工具（中間）對計算機斷層掃描（CT）影像（左）進行后處理，然后插值生成分析所需的體積（右）后構建的3D模型

圖4.人體軀干中的電壓電流分布的模擬結果

圖5.不同電極形狀和位置的生物阻抗測量值和模擬值的比較。

       我們可以更快地評估材料和結構，并篩選最好的材料和結構，這意味著試驗時間更少，技術決策更有效，商業(yè)決策更快。

模擬技術可解決日益復雜的設計問題

        “通過模擬，我們已經發(fā)現(xiàn)了很多潛在問題，并能更好地為外部世界優(yōu)化半導體設計?，F(xiàn)在，模擬可以加快內外部客戶的產品設計，“Zullino評論道。 她和她的同事們認為，在開發(fā)的方方面面都有使用Multiphysics模擬的機會。她透露，封裝內部濕度和腐蝕可能性研究正在進行中。 “我們可以更快地評估材料和結構，并篩選最好的材料和結構，這意味著試驗時間更少，技術決策更有效，商業(yè)決策更快，”Zullino總結道?！芭c物理測試相比，我們可以實現(xiàn)新的解決方案并零成本驗證。模擬是推動創(chuàng)新的關鍵工具之一。”