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标题: MEMS设计方法 [打印本页]

作者: soft 时间: 2010-10-19 20:59
标题: MEMS设计方法
MEMS设计方法是指导微机电系统设计的基本思想方法，在整个MEMS系统的设计和优化过程中具有相当重要的作用。对于MEMS器件来说，其工作原理包含了多种能量的耦合。例如微传感器把非电信号（机械、热、磁等）转变为电信号，而微执行器则是把电能（或热能等）转变为机械动作。由于能量的耦合及复杂的运动过程，很难用解析式表达。因此在分析器件的性能时一般都用到数值分析的方法（有限元FEM、边界元BEM或有限差分）。

另一方面，以上数值分析软件针对的主要是单个MEMS器件的设计与优化，并不能从整个系统性能出发，对包含MEMS器件和电路的系统进行性能模拟与考虑。为了优化系统性能，缩短设计周期，进行MEMS设计方法的研究尤为重要。

近年来，集成设计（Integrated Design）为MEMS的设计提供了有效的手段。但是，以往人们在设计MEMS系统的时候，采用的是源于IC工艺的技术路线，从设计器件的二维版图（Layout）开始，然后结合加工工艺路线，生成器件的三维实体进行模拟验证，最后进行有限元分析和系统性能仿真。这种设计方法是以分析为主的自底向上的"Bottom-up"逆向串行的校验方法，并不符合人们从概念设计到制造完成的思维方式，而且系统仿真、版图设计和器件分析三个过程相互脱节，没有形成有机集成的设计环境，必然导致设计效率低下，设计质量难如人意，难以满足MEMS快速发展的需要。当前国际上流行的MEMS设计方法是以集成为主的自顶向下的"Top-down"设计方法，主要有两种设计流程：

第一种设计流程从系统的性能要求开始进行，完成系统的行为仿真后，根据设计目标等约束进行器件的版图设计，然后由版图结合工艺过程生成三维实体，进行器件的有限元分析，最后还可以从有限元分析结果中提取出器件的集总参数，构造器件的行为级模型，再用于系统仿真与校验。

第二种流程仍然首先进行系统设计及仿真，然后建立三维器件模型，进行有限元分析并提取器件的行为级模型，重新进行系统分析，直至符合系统要求，最后由三维实体模型直接按照工艺要求生成版图。

由此可以看到这种正向并行的设计方法完全集成了MEMS设计过程中的所有环节，克服了"Bottom-up"方式的弊端，使设计效率和设计质量都得到了很好的保证。

这种设计方法实现的技术关键在于由有限元分析结果提取行为级模型和由三维实体生成二维版图，本文将结合当前流行的MEMS设计和有限元分析软件，详细介绍这两种设计流程的实现方法。

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