微機電系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)研究

微機電系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)研究

0mems設(shè)計能力的特性近年來，對微機械系統(tǒng)（ss）的研究取得了很大進展，但真正的cs產(chǎn)品主要是傳感器產(chǎn)品。這表明MEMS技術(shù)的發(fā)展還沒有成熟,其中問題之一就是MEMS涉及面廣、設(shè)計過程復(fù)雜以及周期長,這極大地限制了MEMS技術(shù)的快速發(fā)展。針對困擾MEMS發(fā)展的制約因素,人們一直在尋求相應(yīng)的解決辦法。目前,國外的研究結(jié)果顯示,MEMS的加工能力強于其設(shè)計能力。因此,提高MEMS的設(shè)計能力就更為迫切。為解決MEMS的設(shè)計難題,人們通常從設(shè)計工具和設(shè)計方法兩個角度進行研究。前者針對MEMS設(shè)計過程的某一環(huán)節(jié)(如濕法刻蝕工藝)開發(fā)相應(yīng)的計算機輔助設(shè)計工具(CAD),對該環(huán)節(jié)進行仿真、分析和評價;后者從更高的層次上綜合考慮MEMS設(shè)計的各個環(huán)節(jié),安排設(shè)計流程,流暢銜接不同階段的設(shè)計從而達到最優(yōu)設(shè)計。當(dāng)前,發(fā)達國家對MEMS設(shè)計的研究已經(jīng)從對單個設(shè)計工具的研究過渡到了對整個MEMS設(shè)計方法的研究。其設(shè)計方法已從源于微電子工藝設(shè)計的自底向上(bottom-up)的設(shè)計方法發(fā)展到了符合MEMS特性的自頂向下(top-down)的設(shè)計方法,并開發(fā)出了相應(yīng)的設(shè)計平臺。而我國大多數(shù)單位都還局限于對單個設(shè)計工具研究的初級階段。近年來,西北工業(yè)大學(xué)在對MEMS的設(shè)計特點進行深入研究的基礎(chǔ)上,提出了獨特的自頂向下設(shè)計和自底向上修正的雙向MEMS集成設(shè)計方法,并以此為理論基礎(chǔ),以微慣性器件的設(shè)計為需求牽引,構(gòu)建了MEMS集成設(shè)計平臺MEMSGardenV3.0,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了較深入的研究。1雙向同意設(shè)計方法和自向同意修改自向同意1.1多階層和多頂向下的mems設(shè)計方法,是其主體MEMS的集成設(shè)計是一個多視圖、多階層的設(shè)計方法(見圖1)。多視圖是指從三個方面對MEMS進行集成設(shè)計:①從產(chǎn)品的全生命周期(設(shè)計、制造、封裝、檢驗、使用、維護等)看,對其產(chǎn)品形式(數(shù)據(jù)圖表、掩模信息、實體模型、設(shè)計原型等)、生產(chǎn)過程和組織活動予以并行設(shè)計;②從其功能組成看,MEMS包含微傳感器、微執(zhí)行器、微檢測控制電路等功能模塊,其設(shè)計必須達到器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能的有機集成;③從涉及的研究領(lǐng)域看,多學(xué)科(微觀領(lǐng)域的機械、力、電、光、流體等)以不同比例綜合、相互轉(zhuǎn)換發(fā)生作用(傳感、致動的工作原理與微觀環(huán)境條件的影響等)的特點需要納入MEMS的設(shè)計工作。多階層是指針對MEMS的設(shè)計的復(fù)雜過程,將其分成系統(tǒng)級設(shè)計、器件級設(shè)計和工藝級設(shè)計三個階層,分別完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù),組成MEMS設(shè)計的多階層架構(gòu)。根據(jù)這三層在設(shè)計時進行的先后次序,就有了MEMS的自頂向下設(shè)計和自底向上的設(shè)計方法之分。當(dāng)前MEMS自頂向下的設(shè)計方法,大致遵循面向應(yīng)用目標(biāo)的頂層、系統(tǒng)、部件、實現(xiàn)過程、微結(jié)構(gòu)、掩模、具體工藝等細(xì)節(jié)的底層的設(shè)計順序,它更注重宏觀層次上應(yīng)用問題的提出與解決,系統(tǒng)級以下的工作借助高柔性、封裝后的參數(shù)化模型來實現(xiàn),從而更容易達到對系統(tǒng)整體的操縱和把握。借助可重用的參數(shù)化模型,使設(shè)計者能夠擺脫煩瑣的設(shè)計細(xì)節(jié),并能盡量減少設(shè)計的反復(fù)次數(shù)及其影響深度,對系統(tǒng)整體的把握和操縱能力大大增強。自頂向下的MEMS集成設(shè)計方法綜合了集成設(shè)計和自頂向下兩種設(shè)計思想的精髓。集成設(shè)計對影響MEMS設(shè)計的加工、封裝、測試、使用等因素進行全面考慮,然后對設(shè)計過程和設(shè)計任務(wù)進行自頂向下的分解。這樣集成和分解就做到了辯證統(tǒng)一,相輔相成,共同完成MEMS復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)。1.2mems器件的工藝設(shè)計方法,主要分為實體模型設(shè)計和工藝仿真在自頂向下的MEMS的集成設(shè)計方法中,將MEMS的設(shè)計過程從開始到結(jié)束分為系統(tǒng)級設(shè)計、器件級設(shè)計和工藝級設(shè)計三個階層(見圖2),每一層分別完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)。系統(tǒng)級設(shè)計面向用戶的需求,研究的對象是由MEMS器件與信號提取、信號反饋等相關(guān)電子電路組成的微系統(tǒng),著重研究系統(tǒng)的整體行為特性與性能,主要承擔(dān)產(chǎn)品概念設(shè)計、制定設(shè)計方案等設(shè)計任務(wù),為器件級設(shè)計提供依據(jù)。器件級設(shè)計根據(jù)MEMS器件的實體模型研究其行為特性和物理特性,主要完成MEMS器件的實體設(shè)計、分析和優(yōu)化,為器件的工藝、版圖設(shè)計奠定基礎(chǔ),并且可以從中提取器件的行為模型,再進行系統(tǒng)級的行為仿真,以驗證設(shè)計方案。工藝級設(shè)計主要包括器件的掩模版圖設(shè)計和工藝流程設(shè)計,是MEMS器件加工前的最后一步,其主要任務(wù)包括基于實體模型的工藝定義,基于實體的版圖生成以及加工工藝仿真。在該設(shè)計方法中,先對MEMS的設(shè)計進行全面考慮,然后通過自頂向下的設(shè)計方法對其設(shè)計過程和設(shè)計任務(wù)進行分離,其核心思想就是合成和優(yōu)化。自底向上則是對設(shè)計方案的驗證與分析。在實際的MEMS設(shè)計過程中,設(shè)計與分析流程不斷地交互運用,以決定出最符合規(guī)格要求的設(shè)計。1.3關(guān)鍵技術(shù)(1)混合信號的描述語言在后臺描述mems的結(jié)構(gòu)組成方面的應(yīng)用MEMS從功能組成上包括傳感器、控制器、執(zhí)行器等三個部分,從處理信號的能量形式看包括機械能、電能、光能等,因此用一種方法清晰、準(zhǔn)確地描述其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成并能進行仿真分析,就成了系統(tǒng)級設(shè)計需要解決的首要問題。混合信號硬件描述語言可以方便地同時描述機械量和電量,用它在后臺描述MEMS的組成,前臺采用形象化的圖形符號表示MEMS的結(jié)構(gòu)組成,既易于系統(tǒng)的分析和仿真,又能以形象直觀的形式反映其結(jié)構(gòu)組成。同時,采用多端口網(wǎng)絡(luò)的三維組件庫技術(shù)可以有效地實現(xiàn)系統(tǒng)級的快速建模分析設(shè)計。(2)微伏內(nèi)口電路設(shè)計MEMS所敏感的信號都需要經(jīng)過接口電路處理,并反饋給執(zhí)行部件。由于MEMS所處理的信號通常比較小,如微陀螺的典型位移為10-3～10-4mm,引起的電容變化只有10-18～10-19F,輸出電壓只有微伏甚至納伏量級,因此接口電路的設(shè)計和仿真技術(shù)都還要特別針對小信號的提取和處理,同時為電路的版圖設(shè)計提供依據(jù)。(3)系統(tǒng)級設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計在MEMS設(shè)計過程中需采用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù),集成各個學(xué)科(子系統(tǒng))的知識,應(yīng)用有效的設(shè)計和優(yōu)化策略,來組織和管理微機電系統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計。通過充分利用各個學(xué)科(子系統(tǒng))之間的相互作用所產(chǎn)生的系統(tǒng)效應(yīng),獲得設(shè)計的最優(yōu)解。另一方面,從系統(tǒng)級設(shè)計到器件級設(shè)計的參數(shù)傳遞過程也是一個優(yōu)化過程,它以設(shè)計的規(guī)格要求為目標(biāo),以器件的行為或結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量建立優(yōu)化函數(shù),采用多因素、多目標(biāo)的優(yōu)化算法求解,得出器件的行為或結(jié)構(gòu)參數(shù),為器件設(shè)計提供依據(jù)。系統(tǒng)級優(yōu)化的結(jié)果可以直接參數(shù)化驅(qū)動生成器件的實體模型或版圖。(4)微機電器件多物理場模擬分析為準(zhǔn)確地預(yù)測微器件在實際工作中的響應(yīng)特性,需要對微結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)、模態(tài)、瞬態(tài)、諧響應(yīng)等分析,以及結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等多物理場分析。通過耦合場分析,能較準(zhǔn)確地模擬微尺度下靜電—結(jié)構(gòu)—流體等多物理場之間的相互作用情況,分析微機電器件在多種物理機制下的綜合作用的結(jié)果。例如,分析靜電場對微結(jié)構(gòu)固有頻率漂移的影響,從而通過控制電壓的大小調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率,以提高器件的工作性能。(5)器件的宏模型描述器件行為比較精確的做法是采用有限元方法,但是器件的有限元模型自由度較多、過于復(fù)雜,并且和接口電路不易集成,因此使用器件的宏模型來代替有限元模型進行器件的行為描述。根據(jù)器件的多物理場分析可以從中提取器件的宏模型。(6)維實體的轉(zhuǎn)化和復(fù)合布局的自動轉(zhuǎn)化以往MEMS設(shè)計人員都是從二維的掩模版圖開始設(shè)計MEMS器件,但由于掩模版圖是二維的,不夠直觀地反映器件的結(jié)構(gòu)特征。因此人們往往希望從更直觀的器件的三維實體模型開始進行設(shè)計,同時能夠?qū)崿F(xiàn)從三維實體到二維版圖的自動轉(zhuǎn)化,這將徹底改變以前人們從版圖開始設(shè)計的習(xí)慣,加快設(shè)計的效率。從三維實體通過工藝定義自動生成二維版圖的技術(shù)是一種切實可行的解決辦法,所設(shè)計開發(fā)的工藝編輯器較好地解決了這一問題。(7)建立幾何模型微細(xì)加工工藝的步驟繁多,并且大都是一些平面工藝,不夠直觀。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維實體構(gòu)造技術(shù)進行微細(xì)加工工藝的可視化,可以對每一道工藝的加工結(jié)果進行可視化評估。加工仿真是在已知加工工藝和掩模版圖的前提下,通過仿真得到器件的最終三維實體模型。這樣的實體模型分為兩類:①根據(jù)加工的真實的物理行為建立器件的幾何模型;②通過對加工工藝效果的粗略近似,建立器件的幾何模型。加工仿真技術(shù)可以直接利用單步工藝可視化技術(shù)的結(jié)果進行計算。(8)實現(xiàn)件庫建立的軟件在自頂向下的設(shè)計流程中,不同設(shè)計人員開始設(shè)計的起點不同。如在系統(tǒng)級用戶需要進行利用參數(shù)化驅(qū)動的元件庫建立系統(tǒng)的原理圖,在器件級用戶還需要利用參數(shù)化的實體元件建立器件的實體模型,在工藝級還需要用到參數(shù)化的版圖庫建立器件的版圖。因此,利用相應(yīng)的軟件進行參數(shù)化建模也是集成設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)。在MEMS集成設(shè)計平臺中建立完全參數(shù)化的三級元件庫,可以重復(fù)利用已有的研究成果達到快速設(shè)計的目的。2計和工藝級設(shè)計自主開發(fā)的MEMS集成設(shè)計平臺——MEMSGardenV3.0的整體框架見圖3,分別由系統(tǒng)級設(shè)計、器件級設(shè)計和工藝級設(shè)計三大部分共14個模塊組成,具有如下特點:獨特的設(shè)計流程實現(xiàn)從微機電的概念設(shè)計到加工工藝設(shè)計的自頂向下設(shè)計流程,并能進行自底向上的修正;多設(shè)計入口為不同工程背景的用戶提供系統(tǒng)級、器件級和工藝級設(shè)計入口,設(shè)計人員可以從這三個入口中的任一入口開始設(shè)計;參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計分別在系統(tǒng)、實體、版圖三個級別提供全參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計接口。2.1等級單元庫系統(tǒng)仿真模型采用混合信號硬件描述語言建立可重用的系統(tǒng)級的參數(shù)化微機電元件庫,包含平板質(zhì)量塊、梁、錨點、驅(qū)動梳齒、加速度、力等單元庫,利用這些單元庫構(gòu)建系統(tǒng)的示意圖(schematic),描述系統(tǒng)行為模型,從而快速完成MEMS中機械和電子等混合信號的建模與仿真,并能同時進行接口電路的設(shè)計與仿真。為由三維梁、電梳、質(zhì)量、錨點等元件所搭建的硅微加速度計系統(tǒng)級模型見圖4。該加速度計頻域內(nèi)的小信號仿真結(jié)果圖見圖5,顯示其檢測模態(tài)諧振頻率為14174Hz。2.2系統(tǒng)性能評估采用可視化實體建模語言及分析軟件實現(xiàn)微機械部分的三維實體特征可視化建模,具有模態(tài)分析、靜電場分析、耦合場分析、優(yōu)化設(shè)計等功能,能準(zhǔn)確評估MEMS的系統(tǒng)性能。根據(jù)硅微加速度計的系統(tǒng)級仿真所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)、參數(shù)化驅(qū)動生成的硅微加速度計實體模型見圖6。對該實體模型可進行有限元分析,該加速度計的一階模態(tài)分析圖見圖7。結(jié)果顯示該加速度計的模態(tài)頻率為15093Hz,與系統(tǒng)級仿真的結(jié)果相比誤差為6%。2.3動轉(zhuǎn)換功能MEMSGardenV3.0具有三維實體模型向二維版圖的自動轉(zhuǎn)換功能,包含豐富的材料屬性庫、