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COMSOL仿真案例展示

+有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)软件可以帮助研究人员针对性的分析难以表征的物理场分布、以及部分物理参数的选择对实验结果的影响。其仿真结果的普适性和完备的物理可解释性相对于抽象的逻辑解释和枯燥的理论公式而言具有更值观的展示效果。在目前众多顶级期刊中,使用有限元分析手段针对研究内容进行仿真,以辅助解释其物理现象的成因,已然成为了一种备受青睐的手段。

由于有限元分析的本质在于求解物理场方程,所以只要需要分析的物理过程理论完备、物理参数充足,就能够得到趋近于真实物理情景的结果,这里我们展示一些近期完成的一些仿真工程,以说明其在辅助科学研究中起到的作用。


案例1:光学环形谐振腔陷波滤波器


最简单的光学环形谐振腔由直波导和环形波导组成。这些波导彼此靠近放置,使得光在两个结构之间相互影响。如果环周围的传播长度是波长的整数倍,则场会发生谐振,并在环中形成一个强场。

一部分光在环形波导周围传播后,重新与直波导耦合,并干涉入射光。在谐振时,可以获得完全相消干涉,而没有透射光,从而使光学环形谐振腔成为理想的陷波滤波器,从而阻挡谐振波长的光。

光学环形谐振腔是光子集成电路中具有研究价值的构件。由于在硅光子等领域具有高折射率对比度,因此可以制造非常小的电路。

案例2:复合压电换能器

本例演示如何根据 Y. Kagawa 和 T. Yamabuchi 的研究成果IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 1986;33(6):765-77设置压电换能器问题。复合压电超声换能器为圆柱形几何结构,由压电陶瓷层、两个铝层及两个黏合剂层组成。该系统在压电陶瓷层两侧的电极表面施加交流电势。目标是计算该结构的四个最低特征频率附近某一频率范围的电纳。这是超声换能器仿真的基准模型,也是 SAW 和 BAW 滤波器仿真的一个很好的基础模型。

案例3:碳纤维编织结构的各向异性传热

此模型和演示说明了如何在传热仿真中对纤维的各向异性属性进行建模。由于纤维取向不易明确定义,因此使用“曲线坐标”接口来定义纤维取向。纤维在纤维方向上的热导率较高,在垂直方向上热导率较低。

案例4:锂枝晶生长耦合电位、电流密度分布

该例仿真了在单一成核位点上锂枝晶的生长过程,该过程耦合了锂离子在电解液中的电迁移、浓度梯度带来的浓差扩散等,通过改变仿真中的物理参数如表面结合能、表面张力等参数可以得到不同的枝晶生长形态。


案例5:MOS 晶体管 (MOSFET) 的直流特性

此模型计算一个简化的 MOSFET 元件的直流特性。首先计算漏极电流与栅压的关系,确定器件的阈值电压;然后计算多个栅压下漏极电流与漏极电压的特性。用户可以根据这些结果确定器件的线性区和饱和区。

案例6:热蒸镀1/4晶圆厚度分布

本例演示热蒸发金膜的厚度,并计算腔壁和样本上的沉积膜厚度仿真,可用于分析不同腔体结构、蒸镀速率等实验参数对最终蒸镀平整度的影响。


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