MEMS器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法和仿真研究

1、mems器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法和仿真研究【摘要】mems技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展依賴于mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展和水平的提高。系統(tǒng)級仿真和多 能量場耦合是mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。提出了一種mems器件設(shè)計(jì)的參考方法，并對系統(tǒng)級 仿真這一難點(diǎn)做了深入闡述。關(guān)鍵詞mems cad系統(tǒng)級仿真多能量場耦侖1引言mlims作為一個新興的強(qiáng)人的科學(xué)領(lǐng)域，雖然近年來取得了飛速的發(fā)展，但是和應(yīng)的設(shè)計(jì)方法的發(fā)展卻沒有 跟上時代的腳步。盡管mems技術(shù)有微電子技術(shù)作支撐，而且通常使川ic平面制造技術(shù)，但它必須進(jìn)行微 機(jī)械所特有的三維加工，而且要求與集成電路工藝兼容，要完全解決好這一問題有一定的難度。

2、此外，mems 器件及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工不同。傳統(tǒng)的設(shè)訃加工思路是從零件到裝配最后到系統(tǒng)，是自下 而上的方法。mems系統(tǒng)是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)將所冇的零件、電路和系統(tǒng)在通盤考慮下兒乎同時 制造出來，零件和系統(tǒng)是緊密結(jié)合在一起的，是-種自上而下的方法。因此耍采用新觀念，站在系統(tǒng)高度 來設(shè)計(jì)加工。鑒于此，建立一套專門的適川的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和仿真的方法勢在必行。mems器件設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，許多商業(yè)機(jī)構(gòu)和大學(xué)認(rèn)識到mems cad軟件的重要性,紛 紛投入大量的人力物力進(jìn)行這方面的研究工作。h前已經(jīng)開發(fā)一些商用mems軟件，這些系統(tǒng)對促進(jìn)mems 的研究進(jìn)展

3、使z從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化起了很大的作用。表1：主要幾個典型的mems cad軟件軟件名稱開發(fā)單位coventorwcirecoventof 公司memcadmit 和 microcosm 公司intellicadtntel 1 isense 公司solidisswiss federal institute oftechnology特點(diǎn)功能垠強(qiáng)、規(guī)模最大的mems專用軟件，擁有幾十個 專業(yè)模塊，功能包含器件設(shè)計(jì)、工藝和仿真。 功能比較齊全，可對設(shè)計(jì)制造全過程仿真。還冇一 個流體分析模塊，可對微泵，微閥進(jìn)行分析。主要進(jìn)行機(jī)_電_熱的分析，在工藝仿真方面有大的 靈活性，一個流體分析模塊正在測試中。較靈

4、活的網(wǎng)絡(luò)劃分，善于進(jìn)行熱變形和熱致動的分 析。2 mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)2. 1 mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn) 和傳統(tǒng)機(jī)電計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相比，山于器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝特點(diǎn)，使得 mems器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)具有與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不同的特點(diǎn)。 尺寸的縮小引起工作機(jī)理和材料性質(zhì)的變化。結(jié)構(gòu)尺寸的縮小使得力的作用效應(yīng)和材料的性質(zhì)都發(fā)生了 變化。在微小尺度下，一些在常規(guī)機(jī)械中很少考慮的力，例如靜電力、表面張力等的作用明顯増強(qiáng)。另外, 由于尺寸的縮小，晶體內(nèi)部的缺陷檢索，材料的強(qiáng)度增加，并且表現(xiàn)出一些在常規(guī)尺度下不顯著的性質(zhì)和 特征，并對mems器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)

5、生一定的影響。 加工方法的變化。在目前hems器件的研制中，大量使川光刻腐蝕、離子加工、離子注入等微電子加工技 術(shù)。此外，電解、激光加工、將密機(jī)械加工等技術(shù)也被采用。微電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本注重二維兒 何形狀的設(shè)計(jì)和加工,對被加工材料的操作基本上只涉及表面以下很淺的范圍。而在mems中所要設(shè)計(jì)和加 工的對彖是尺寸微小的三維機(jī)械部件。同時mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)需耍冇對三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的模擬手段和 對各種機(jī)械性能及可靠性方面的檢測功能。®mems器件的分析與設(shè)計(jì)是多場耦合問題。由于微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的多樣化，在其工作原理上必然要涉及到 微流體學(xué)、微熱力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，這些學(xué)科z間

6、的耦合問題也需要得到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的支持。 所以，必須建立一套專門的設(shè)計(jì)、分析、仿真方法。其中，器件的耦合場分析和系統(tǒng)級仿真在整個過程中 將起決定性作用。2.2 mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則由于、創(chuàng)s與傳統(tǒng)機(jī)械和微電子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、加工上存在很大的差別，因jit, mems器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 的研究必須要遵循以下的一些原則： hems技術(shù)的特點(diǎn)是多種學(xué)科相互交叉，涉及微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微動力學(xué)、微流體學(xué)、微熱力學(xué)、材 料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等。這些作用域相互作用，共同組成完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一定的物理功能。多能罐域 的耦合問題是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)所面臨的域大挑戰(zhàn)。 與基于平面工藝的1c工藝

7、不同的是,hems的制造的日的是為了得到三維的幾何結(jié)構(gòu)。但是，一般的1ccad 不捉供h動生成三維模型的工具。因此，作為聯(lián)系掩膜、工藝和三維模型的橋梁，結(jié)構(gòu)仿真器是mems cad 所必須的。 mens的制造過程不僅會改變結(jié)構(gòu)的兒何輪卿，還改變材料的性質(zhì)。材料性質(zhì)的改變，將會影響結(jié)構(gòu)的電 子和機(jī)械特性。因此，一個完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須建立相應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)庫，并且可根據(jù)工藝 流程自動地將材料特性插入三維兒何模型中。圖1 news器件的設(shè)計(jì)過程 采用快速有效的算法。mems器件在兒何上是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，在物理上各種能屋域相互耦合。計(jì)算中不 僅要進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部的量化分析，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)外部的各種

8、場的分析（如電場、流場等）。這些分析的計(jì)算量 極大，不僅耗時長，而且要求有較大的內(nèi)存。因此，快速有效的算法是設(shè)計(jì)實(shí)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 基礎(chǔ)。2. 3 mems器件計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)的方法mems系統(tǒng)是采用微電了和 微機(jī)械加工技術(shù)將所冇的零 件、電路和系統(tǒng)在通盤考慮 下兒乎同時制造岀來，零件 和系統(tǒng)是緊密結(jié)合在一起 的，是一種自上而下的方法, 圖1顯示了 mems器件的設(shè)計(jì) 過程。從圖1中可看出mems器件的設(shè)計(jì)模擬過程是:通過掩膜版圖設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)，由結(jié)構(gòu)仿真器生成三維兒 何模型;從材料數(shù)據(jù)庫中提取元件的材料特性，將其插入兒何模型中，生成完整的兒何模熨;劃分網(wǎng)格 進(jìn)行分析和模擬，接著進(jìn)行優(yōu)

9、化，完成設(shè)計(jì)。各步驟的主耍功能如下所述： 工藝設(shè)計(jì)是利用、1ehs加工技術(shù)，定制合理的工藝流程，同時形成加工設(shè)計(jì)完成的mems器件的工藝信息 文檔，便-f mems器件的加t。mems器件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法中，要生成設(shè)訃器件的三維實(shí)體，首先必須 定制器件的加工工藝。目前加工hems器件的丄藝主要冇：精密機(jī)械加工技術(shù)、硅微機(jī)械加工技術(shù)、ltga 工藝等。 掩膜版圖設(shè)計(jì)是將邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成物理兒何衣示的一個過程，它包括版圖布局規(guī)劃、布置布線以及版圖 后處理與版圖數(shù)據(jù)輸岀兒個主要階段。版圖設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)有很多種，基丁標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計(jì)方法因高效且可靠 的特點(diǎn)成為目前業(yè)界最流行的模式。在mems器件的設(shè)計(jì)中掩膜

10、版圖設(shè)計(jì)可以簡單的理解為設(shè)計(jì)器件在平面 上或xy平面上的結(jié)構(gòu)和布局。 結(jié)構(gòu)仿其器的作川是，首先把mems器件結(jié)構(gòu)從外圍接口電路中隔離出來，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)和掩膜版圖設(shè)計(jì) 來生成三維實(shí)體模型。這類似于實(shí)際的生產(chǎn)過程，每一個工步,從材料特性數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，依此 計(jì)算各工步的效果，并對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。在進(jìn)行過程中，記錄材料特性，工藝條件和幾何現(xiàn)狀，以 備隨后分析使用，最終的結(jié)構(gòu)就是這一系列變化的結(jié)果。以后的所冇分析都基于由結(jié)構(gòu)仿真器生成的該實(shí) 體模型。 材料特性數(shù)據(jù)庫。和對設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，mems的設(shè)計(jì)人員不僅沒有足夠的設(shè)計(jì)手冊，甚至缺少 mems設(shè)計(jì)中所特有的、與耦合特性有關(guān)的材料常

11、數(shù)。這使設(shè)計(jì)人員難以巒確地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸。由于mems 器件的尺寸較小，給這些特性的測量來了一定困難。因此，一般設(shè)計(jì)專門結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。這方面，己經(jīng)初 步建立了一些mems材料的數(shù)據(jù),例如coventorware的mpd等。 hems器件的模擬和優(yōu)化。生成器件的三維實(shí)體模型后，對器件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，就可利用bem/e1訓(xùn)s器件 進(jìn)行模擬。這其中由于mefm/vm方法對mems器件包括熱、流體、電磁、機(jī)械等相互作用,使mems的仿真 與建模越來越復(fù)雜，在hems設(shè)計(jì)屮遇到的最人的挑戰(zhàn)是多能量域的耦合分析。在進(jìn)行仿真時，不僅要針 對各個域的特點(diǎn)，尋找相應(yīng)的算法，還耍解決不同域的耦合問題。在分析完成厲，

12、可以對設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行 優(yōu)化，進(jìn)-步提高器件的質(zhì)量。最后可以提取器件的宏模型用于系統(tǒng)級的仿真。3提取宏模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級仿真隨著mems器件集成度的提島，如何對其整體行為(即系統(tǒng)級行為)進(jìn)行快速建模與仿真成為h前mems計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。3. 1多能量域分析在hems設(shè)計(jì)中遇到的最大的挑戰(zhàn)是多能屋域的耦合分析在進(jìn)行仿真時，不僅耍針對各個域的特點(diǎn).尋找相 應(yīng)的算法，還要解決不同域的耦合問題。冃前，一些耦合場計(jì)算方法已經(jīng)被引入工程分析軟件中，如ansys、cfd等，用丁-mems器件耦合場分析， 但采取的具體措施不盡相同。目前，常川方法有：有限元方法(fei)進(jìn)行線件、非線件固體、殼、板及 6

13、 口由度梁的應(yīng)力、變形場分析.也可川于時域、模態(tài)的模擬。邊界元方法(bem )用帶口適應(yīng)網(wǎng)格劃分 功能bem進(jìn)行靜電場分析。冇限體積方法(1訕)進(jìn)行穩(wěn)(暫)態(tài)流動、熱傳導(dǎo)、多相流、生物、化學(xué)作用 等的模擬分析，也町進(jìn)行電、磁的靜態(tài)分析或動態(tài)分析?；蚓C介運(yùn)用各種方法，針對不同的域釆用相應(yīng)的 模塊進(jìn)行分析，各模塊z間通過邊界條件或其它耦合條件聯(lián)系起來，迭代求解。3. 2建立宏模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級仿真對于hems器件輔助設(shè)計(jì)來講，在任何一個獨(dú)立的能量域向然可以采用fem. bem. fv1等數(shù)值算法來優(yōu)化模 型，然后通過適當(dāng)?shù)牡灤┦冀K地求解耦合域問題來獲得系統(tǒng)性能，此方法精度較高，但是計(jì)算量巨大, 極

14、為耗時。實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者可能并不刻意追求系統(tǒng)局部的特征，相反卻非常重視系統(tǒng)的總體性能、輸入 輸出特性，因此完全可以建立-種對耦合場進(jìn)行簡化、降低其口由度的宏觀模型(macro-model),如何 建立宏模型，h前沒有統(tǒng)一的方法，常見的有三種：節(jié)點(diǎn)分析法、黑箱分析模型和v1idl-ams vlidlo1) 、節(jié)點(diǎn)分析法(nodas)將系統(tǒng)看成是由多個同一能量域或不同能量域的基木單元組成的，每個單元為 一個節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于電路中基本元件如電阻、電容等，運(yùn)用aiidl語言將上述節(jié)點(diǎn)與真實(shí)電路連接在一起形成 網(wǎng)絡(luò)，建立系統(tǒng)的微分方程.運(yùn)用saber或spice進(jìn)行系統(tǒng)仿真。nodas方法主要針對微致動器、

15、傳感器 而研究開發(fā)的，采用集中參數(shù)描述，對于復(fù)雜微機(jī)電系統(tǒng)難以勝任。2) 、黑箱分析模熨。對mems耦介場進(jìn)行不同的能量域分析，選擇少數(shù)幾個參數(shù)來描述系統(tǒng)的能量，大大 降低系統(tǒng)的h由度，不計(jì)較系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)及特性，這樣，系統(tǒng)的耦合場被轉(zhuǎn)化建立黑箱模型。步驟如下: 降低系統(tǒng)的自由度數(shù)。構(gòu)造系統(tǒng)的宏觀解析模型。將系統(tǒng)的動力學(xué)方程變換為a-hdi,作為-個黑 箱插入模擬電路仿貞器中。只要合理的構(gòu)造變形狀態(tài)的完備集、系統(tǒng)的能量農(nóng)達(dá)式，可以獲得很高的計(jì)算 精度.但模型中無法考慮系統(tǒng)的局部特征，不能顯式地表示各元件的結(jié)構(gòu)尺寸對系統(tǒng)性能的影響，不便于 設(shè)計(jì)，且計(jì)算量很大。3) 、vi1dlams是根據(jù)能量守

16、恒定律，建立起一組表征mems器件動態(tài)特性的常微分方程和代數(shù)方程后對其 描述。它通過描述很多的mems的基本器件，形成相應(yīng)的庫單元，利用現(xiàn)冇的系統(tǒng)級仿真軟件saber和電路 一起進(jìn)行模擬和仿真。若器件的邊界條件改變，可以很快地通過修改相應(yīng)器件的vhdl-ams源代碼并進(jìn)行 仿真。但是vhdl-ams只能對常微分和代數(shù)方程進(jìn)行建模，對丁-描述有些mems動態(tài)特性的偏微分方程卻無 能為力。目前，mems cad在計(jì)算速度,建模和應(yīng)用范圍方面還存在著缺陷。隨著對mems的需求不斷增長,市場競 爭日益激烈，對mems cad的需求也將越來越迫切，將會更多的組織加入到這一領(lǐng)域的研究中來。參考文獻(xiàn)ljro

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