[发明专利]有限长微声学器件的积木式快速有限元仿真方法及系统

说明书

本发明提供了一种有限长微声学器件的积木式快速有限元仿真方法及系统，包括：获取微声学器件物理模型；对微声学器件物理模型进行特征识别和分组，将相同特征的部分分在一组；对每组内的特征子单元进行分割；选取每个组成部分中的任意一个特征子单元建立有限元模型进行有限元计算，得到所选取的特征子单元的有限元计算结果；将所选取的特征子单元的有限元计算结果代替对应组内其他特征子单元的有限元计算结果，对组内的特征子单元进行拼接，得到各个组的有限元计算结果；将各个组的有限元计算结果进行拼接，得到微声学器件物理模型的有限元计算结果。本发明可以对传统的有限元方法在不降低精确度的情况下进行加速。

技术领域

本发明涉及微声学领域，具体地，涉及有限长微声学器件的积木式快速有限元仿真方法及系统。

背景技术

微声学器件日益精细化设计与理论研究发展均迫切需要更加精确和通用的方法实现复杂器件模拟。以声表面波（SAW）器件为例，对器件中有限长栅格阵或周期性被破坏的非同步栅格区域的仿真，传统的耦合模（COM）模型等具有周期性边界条件假设的模拟工具已经无法满足要求。格林函数结合有限元方法一度是国际公认的最严格的有限长SAW器件精确仿真模型，但随着温度补偿、新型压电薄膜以及任意形状甚至复合材料电极等新型SAW器件的涌现，采用有限元（FEM）代替FEM/BEM逐渐成为研究的热点。然而，一个完整的有限长SAW器件的FEM模型通常具有数千万计的自由度，需要耗费庞大的计算资源与计算时间。对于其它微声学器件的FEM仿真，为了满足仿真精度的要求，通常在每个波长内划分足够多的网格，因此密集的网格划分而导致的庞大计算成本同样使得精确仿真成为实际工程设计中的禁区。

经对现有仿真技术方面文献检索发现，文献“Hierarchical cascading in 2DFEM simulation of finite SAW devices with periodic block structure（Koskela etal.,IEEE Ultrasonics Symposium (IUS),2016）”在二维层面上报道了基于Hierarchicalcascading(HCT)技术的快速FEM仿真方法，该方法充分利用了SAW器件中周期性结构特点，对整个器件进行周期性划分，划分后的子模块包含一根指条甚至为不包含任何指条。因为描述相同子模块的有限元方程是相同的，故通过对每一单独子模块进行仿真求解，再通过级联各单独子模块响应的方式可得到整个器件的响应，实现了对SAW器件的快速精确仿真，该方法仅需要子模块边缘处的自由度并存储，因此计算资源的消耗独立于器件的长度。而文献，“Full 3D simulation of SAW resonators using hierarchicalcascading FEM”（Solal et al.,IEEE Ultrasonics Symposium (IUS),2017）将该方法拓展为全三维情况，并进行了仿真精度的论证，从而进一步验证了该方法的有效性。

基于HCT技术，有限长周期结构SAW器件的完全有限元仿真所需的庞大计算资源可大幅度降低，但由于该技术本身基于SAW器件周期性结构特点，随着日益复杂的微声学器件需要一体化、精细化设计，例如SAW辨识标签，器件本身不具备众多周期性重复单元，而使得利用HCT技术的FEM仿真，不得不计算多块基本单元进行拼接组装，从而大大降低该方法的性能；而随着移动网络从4G到5G的飞跃，3.5GHz以上的工作频段将需要更加精细化、复杂化、小型化的微声学器件，因此对于微声学器件的功率耐受性研究也变得十分重要，而采用HCT-FEM计算微声学器件表面功率流，需要反演运算出已经消去的内部自由度，而增加大量工作时间，从而使得基于器件周期性的HCT技术变得更加难以利用。

经对上述文献的调研与实验论证，我们发现虽然采用HCT技术的FEM方法可以使具备周期性的部分SAW器件的精确仿真成为可能，但是由于众多微声学器件不具备周期性特点，因此迫切需要一种“通用性”的有限长微声学器件精确仿真方法。因此，如何实现满足复杂结构、精细化设计的微声学器件的快速精确仿真，成为了目前国际微声学仿真技术领域亟待解决的关键问题。

发明内容