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Unformatted text preview: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 Tutorial COMSOL # 1 Introducción al software y Dibujo Este tutorial pretende presentar al estudiante el software de modelamiento multifísico llamado COMSOL, mostrando sus características principales, indicando los menús más significativos del programa, las áreas funcionales de la ventana de trabajo, los botones más importantes y por medio de un proyecto básico, introducir en los conceptos de dibujo con las herramientas propias del programa. Esperamos del estudiante cualquier sugerencia sobre este material o sobre la metodología utilizada durante el mismo, con el fin de perfeccionarlo y enriquecerlo para que próximos estudiantes se beneficien de este material. Duración: Este primer tutorial puede ser realizado en una hora y treinta minutos (1h y 30m) de manera individual, siguiendo los pasos directamente en el software. Metodología: Durante una sesión de clase, el asistente presentará el software y demostrará cada uno de los pasos realizados en este tutorial, para que el estudiante pueda reproducirlos en su computador a medida que se presentan. Este material es una ayuda escrita de apoyo que servirá como documentación de consulta posterior. La estructura que se construirá a lo largo de este tutorial es un cantiliver. Un cantiliver es una viga fija en uno de sus extremos y que en el otro extremo posee una carga (o punta) que es soportada por el momentum y el esfuerzo cortante. El cantiliver es una de las estructuras que más se encuentra en el mundo de los sistemas microelectromecánicos, sus materiales son diversos al igual que las técnicas de fabricación y es el componente principal de los microscopios de fuerza atómica (AFM). Esta es la razón por la cual, el cantiliver será la estructura que servirá de ejemplo para ilustrar el manejo de las herramientas básicas de dibujo y diseño del programa COMSOL. Se espera que al finalizar el primer tutorial, cada estudiante tenga en su poder un archivo de una estructura que se vea similar a la Figura 0: Figura 0: Cantiliver obtenido al final de este tutorial. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 Objetivo: Introducir al estudiante en el funcionamiento general del programa COMSOL y describir las herramientas necesarias para dibujar estructuras en este programa. Secciones: Este documento pretende cubrir los siguientes temas: • • • • • • • • Navegador de Modelos: Explicación para iniciar el programa y sobre la ventana de inicio de COMSOL. Módulos: Explicación de la división de COMSOL en módulo físicos. Área de trabajo: Descripción de la ventana principal. Menú Dibujar: Explicación de las funciones principales para dibujar una estructura. Planos de trabajo. Figuras geométricas (Rectángulo). Visualización de la pantalla (Zoom). Operaciones sobre figuras. Navegador de Modelos: Para abrir el programa COMSOL es necesario ir al botón INICIO en la barra exploradora de Windows, ir a Programas, abrir la carpeta COMSOL 3.5A y dar clic sobre el ícono llamado COMSOL Multiphysics. Si el programa cuenta con un acceso directo al escritorio, se debe dar soble clic sobre el siguiente ícono: Una vez se da doble clic en el logo de COMSOL para iniciar el programa, se despliega la ventana de Navegador de Modelos (Figura 1). Figura 1: Navegador de Modelos. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 COMSOL es una herramienta que a diferencia de otros software de diseño multifísico (como ANSYS) trabaja bajo el concepto de modelos físicos. Esto quiere decir que independiza la estructura dibujada del material y del análisis físico que se dese realizar. Para iniciar el dibujo de una estructura es necesario escoger uno o varios modelos físicos sobre los que se desea hacer simulaciones, pero estos modelos se pueden cambiar o adicionar, al igual que el material de las estructuras, en cualquier momento. Dentro de la carpeta “COMSOL Multiphysics” se encuentran los modelos básicos del sistema, las otras carpetas contienen modelos que se adquieren según solicitud del comprador. Las posibilidades ofrecidas para la versión 3.5A se pueden apreciar en la figura 2. Figura 2: Descripción de Módulos de COMSOL 3.5A. La librería básica de COMSOL cuenta con una interfaz para comunicarse con MATLAB y SIMULINK, para enriquecer las simulaciones físicas a través de Scripts, que el usuario puede realizar y evaluar en estos programas y a su vez enviar resultados desde COMSOL a estos programas para realizar una análisis de la información en ellos. Esta es fuerte factor diferenciador de los otros software en el mercado. COMSOL cuenta con integración con MATWEB, Mimics y simpleware para el análisis de resultados. Una de las librerías de COMSOL es CAD Import Module, que permite importación de estructuras elaboradas en programas de diseño profesional como son Autodesk, Inverntor y Solidworks entre otros, que permiten realizar las simulaciones multifísicas en estructuras creadas previamente y si se requiere modificar la estructura, el programa actualiza los archivos de diseño originales. Entre otras funcionalidades del programa, COMSOL cuenta con un módulo de interconexión con SPICE que permite enriquecer las simulaciones con información de circuitos eléctricos y electrónicos complejos. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 Volviendo a la ventan del Navegador de Modelos, en la pestaña “Librería de modelos” se encuentran diseños simulados de ejemplos obtenidos de artículos científicos cuya documentación se puede obtener al dar clic en el botón “Documentación” de esta pestaña. Para este tutorial seleccionaremos la pestaña “Nuevo”, escogeremos en “Dimensión de espacio” 3D y dentro de los modos de aplicación seleccionaremos la carpeta “COMSOL Multiphysics”, la carpeta “Transferencia de Calor” y daremos doble clic sobre “Convección y conducción”. En la Figura 3 se pueden apreciar las secciones que componen la ventana principal de COMSOL. Es importante resaltar que los botones de acceso según el modelo varían según el Modo en el cual se este trabajando, como se indicará posteriormente. Figura 3: Ventana Principal de COMSOL Los indicadores de las funciones de Área de Trabajo que se encuentran el parte inferior de la pantalla se pueden modificar dando doble clic sobre ellos para activarlos y desactivarlos; estos son el eje, la grilla, desplazamiento según cuadrícula (o desplazamiento libre de objetos) y el sistema coordenado. En la barra de tareas se encuentran los siguientes menús que a lo largo de estos tutoriales iremos descubriendo: Archivo, Editar, Opciones, Dibujar, Física, Maya, Resolver, Postprocesado, Multifísica y Ayuda. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 Menú Dibujar: Como ejercicio de este primer tutorial se propone dibujar un cantiliver comercial según las especificaciones técnicas presentadas en el Anexo 1. Para ello utilizaremos las funciones más importantes del menú de dibujo. En primer lugar es importante resaltar que para poder realizar estructuras en tres dimensiones COMSOL cuenta con una herramienta llamada “Ajuste de planos de trabajo”. Esta herramienta permite separar una estructura en varios planos (en dos dimensiones) y poder modificar figuras de dos dimensiones, que posteriormente con ayuda de las funciones “Extrudir” y “Revolver” se convertirán en figuras tridimensionales. Para ello, en la barra de tareas damos clic sobre el menú “Dibujar” y a continuación abrimos la función “Ajustes del Plano de Trabajo…” como se muestra en la Figura 4A. Esto abrirá la ventana de la Figura 4B. En ella se debe escoger el plano x ­y con valor de 0. Figura 4A: Menú Dibujar. Figura 4B: Ventana de Ajustes de Plano de Trabajo. Sobre este plano dibujaremos un rectángulo de 15μm de Amplitud y 1.5μm de Altura utilizando el menú “Dibujar” o el símbolo de rectángulo que aparece en los botones de acceso al costado Izquierdo de la pantalla entre el árbol de procesos y el área de trabajo. Al oprimir dicho botón, el cursor cambia para dibujar formas rectangulares libremente sobre el área de trabajo, pero si se desea obtener una forma de tamaños y en posición deseada, se recomienda mantener oprimida la tecla shift mientras se da clic izquierdo sobre el botón de una forma geométrica para que aparezca la ventana de configuración de esta forma geométrica, como se muestra en la Figura 5. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 Figura 5: Ventana de Configuración de la figura geométrica. Para poder apreciar mejor el objeto se pueden utilizar los botones de zoom de la barra de botones de acceso rápido mostrados en la Figura 6, que en su orden permiten: aumentar la imagen, disminuir la imagen, amplificar la selección hecha con el Mouse, amplificar el objeto seleccionado y ajustar el tamaño del área de trabajo para que se observe toda la estructura dibujada. Figura 6: Botones de Zoom. Cada vez que se dibuje una figura, COMSOL la etiquetará automáticamente con una R si es un rectángulo, una E si es un elipse o un CO si es una figura compuesta. Adicionalmente después de la letra se colocará un número consecutivo. De esta manera en todas las ventanas de funciones, se podrá observar la figura correspondiente y al desplegarla se podrán ver con números sus vértices. Es posible biselar (chaflán) una esquina de una figura rectangular o redondear (Filete) una esquina utilizando la ventana llamada “Filete/Chaflán” que se muestra en la Figura 7. Al rectángulo antes realizado redondeémosle los bordes del costado izquierdo con un radio de 0.75μm. Figura 7: Ventana de Filete/Chaflán. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 Con la función extrudir del menú Dibujar, es posible hacer crecer una forma plana para darle volumen en la dirección, en la escala y en el tamaño deseado. Extrudiremos entonces nuestra construcción, una distancia de 1.5μm en la dirección Z (es la dirección por defecto para esta vista). Figura 8: Ventana de Extrudir. Inmediatamente después de realizado este procedimiento, el área de trabajo se muestra en tres dimensiones. La visualización de la imagen se puede manipular con los botones del costado izquierdo, indicados en la Figura 9. En su orden estos botones pueden rotar la cámara, mover el objeto, hacer zoom al objeto, desplazar la cámara hacia delante, mover objeto como si fuera un cubo, cambiar las configuraciones de la cámara, dar más brillo al objeto, dar más luz al objeto (muy útil para visualizarlo mejor), devolver tomas anteriores, adelantar en tomas anteriores, ver proyección ortogonal, ver proyección en perspectiva, vista en XY (si se vuelve a seleccionar se invierte el eje X), vista en YX (si se vuelve a seleccionar se invierte el eje Y), vista en YX (si se vuelve a seleccionar se invierte el eje Y), vista 3D por defecto, aumentar transparencia y disminuir transparencia. En la parte superior del área de trabajo se encontrarán las pestañas correspondientes a los planos de trabajo para poder volver a ellos libremente al seleccionar dichas pestañas (en este caso “Geom1” representa el plano en 3D y Geom2 representa el plano en 2D). Para continuar con el diseño del cantiliver es necesario que desde el plano en 3D se agregue otro plano de trabajo que llamaremos Geom3, pero esta vez será sobre el eje Y ­Z. Se debe seguir el procedimiento antes descrito. En este plano daremos un zoom general de la estructura (Debe verse únicamente una línea azul, puesto que la figura volumétrica es producto de una construcción de planos sobre el eje X ­Y). Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 La punta del cantiliver es un cono que realizaremos utilizando la herramienta de revolver. Para ellos es necesario crear un rectángulo de ancho 750nm y de 1.81μm de alto. Debe ser posicionado en X=0 y Y= ­1.81μm. Figura 9: Vista tridimensional y botones de modificación de cámara. Una vez se tenga el rectángulo se debe proceder a dibujar una multilínea recta (Menú/Dibujar/Objetos de Dibujo/Línea o el botón con una línea negra y dos puntos rojos ) que empiece en la intersección entre el cuadrado y la línea azul (7.5e ­7,0), atraviese el rectángulo diagonalmente, suba por la arista izquierda y vuelva al punto de inicio. Después de oprimir el botón de multilínea, cada que se de un clic izquierdo sobre la pantalla, se irán marcando los puntos sobre los cuales se desea colocar la línea para que finalmente se termine al dar clic derecho. El triángulo formado sobre el cuadrado se debe ver como en la Figura 10A. Para este procedimiento se recomienda que la función desplazar (Funciones del área de trabajo en la parte inferior de la pantalla) esté activada para que las líneas creadas coincidan con las esquinas del cuadrado. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 10A 10B 10C Figura 10: Funciones de operaciones entre formas. A: Crear un triangulo sobre el cuadrado. B: Oprimir botón de Intersección. C: Resultado de la función intersección. Cuando se haya creado el triangulo encima del rectángulo se puede utilizar una de las operaciones entre formas (Figura 10B) como la unión, intersección y diferencia. Para ello es necesario seleccionar las áreas que se van a operar, esto se hace seleccionando la primera superficie con el botón izquierdo del Mouse y la segunda con el botón derecho. Para nuestro ejercicio se debe seleccionar la opción de Intersección para obtener un triángulo con uno de sus lados apoyados sobre el eje Z, como se muestra en la Figura 10C. Cuando se necesite hacer una composición de varias figuras y se utilice la función “Unir”, generalmente se utiliza la función eliminar los contornos interiores para garantizar una única región uniforme. Al triangulo resultante le aplicaremos la función revolver que se muestra en la Figura 11. En esta función es muy importante tener en cuenta la posición de la figura, puesto que la operación generalmente se realiza con centro en uno de los ejes coordenados, lo que puede implicar obtener figuras no deseadas. Figura 11A: Ventana Funciones Revolver 11B: Resultado función revolver. Como se puede apreciar la punta del cono se encuentra descentrada con respecto al resto del cantiliver por lo cual deberemos utilizar la función de mover para ubicarla en su correcta posición. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 Figura 12: Función Mover Utilizando la función presentada en la Figura 12 moveremos el cono 0.75µm en dirección X y 0.75µm en dirección Y. El resultado se puede observar en la Figura 13. Figura 13: Cantiliver Final. Ejercicio: Con los conocimientos adquiridos en este tutorial, el estudiante deberá dibujar un cantiliver con las especificaciones reales dadas en el Anexo 1. Tenga en cuenta que esta vez el cantiliver debe tener el tamaño real de la barra, la punta debe tener una forma redondeada como la de la foto del anexo y la base del cono debe tener una curvatura al encontrarse con la barra. Es importante que agregue a este cantiliver una capa en la parte superior de la barra, para que esta sirva en el próximo tutorial como revestimiento de aluminio. De la misma manera se solicita agregar en la parte inferior de la punta (justo tocando la punta del cono) un sustrato del tamaño del cantiliver que se encuentre paralelo a la barra. Este servirá para modelar la superficie que debe barrer el cantiliver y sus interacciones (Similar al mostrado en la Figura 0). Referencias • • • COMSOL Multiphysics V 3.5A. Ayuda y tutoriales. COMSOL, Descripción comercial y Tutoriales. Tomado de Internet en Febrero 2010: http://www.comsol.com/products/multiphysics/research/tutorials/ Nanoscience, Descripción comercial. Tomado de Internet en Enero de 2010: http://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2246&idcategory=162#de tails. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microsistemas IELE 4202 – Primer semestre de 2010 Anexo 1: Propiedades de un Cantiliver Comercial: Tomado de un producto de Nanosicence http://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2246&idcategory=162#details Team Nanotec LRCH Large Radius Hemispherical Contact Mode Probes Our Products: AFM Probes > Large Radius Tip Part #: LRCH ­750C0.2  ­(select options) Team Nanotec Contact mode AFM probes with an uncoated, 750 nm radius, hemispherical tip. Length: 450 µm, Spring Constant: ~ 0.2 N/m More details... Cantilever Length (µm): 450 Spring Constant (N/m): ~ 0.2 Product Details: Team Nanotec LRCH ­750C0.2 AFM probes are designed for contact mode applications. These probes specialize in step height measurements over large scan areas. Due to the defined hemispherical tip shape, another ideal application is material characterization by nanoindentation ( bio ­medical materials ). For improved laser reflectivity, LRCH probes can be ordered with an aluminum coating ( R ) on the back side of the cantilever. SEM ­Image of tip apex and measurement result are included for easier post processing of indentation data. LRCH AFM probes can also be ordered for force modulation, soft force modulation/contact mode, tapping mode, and nanoindentation: LRCH ­75 ­ force modulation LRCH ­45 ­750 ­ soft force modulation/contact mode LRCH ­300 ­ tapping mode LRCH ­750 ­ nanoindentation Technical Data Force Constant Cantilever Length Number of Cantilevers Typical Value ~ 0.2 N/m 450 µm 1 per chip Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Materiales y Dispositivos Semiconductores IELE 1205 – Primer semestre de 2010 Cantilever Material Tip Style Tip Radius Full Cone Angle Reflex Coating (optional) Silicon Large Radius Hemispherical Tip 750 nm 45° Aluminum (non ­tip side) ...
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