與主要關(guān)注器件電學(xué)特性的IC（Integrated Circuit）設(shè)計不同,MEMS（Micro Electro Mechanical System）的設(shè)計具有多學(xué)科交叉、多能量域耦合的特點。因此,MEMS器件與其接口電路的協(xié)同設(shè)計在流程、效率等方面一直面對著巨大的挑戰(zhàn)。如何通過系統(tǒng)級方法實現(xiàn)MEMS的高效快速仿真成為MEMS設(shè)計中的一個重要研究方向。MEMS器件與接口電路的協(xié)同設(shè)計在平臺一致性、流程優(yōu)化、參數(shù)迭代、高速仿真等方面具有非常高的要求。本文基于多端口組件網(wǎng)絡(luò)（Multi Port Element Networks,MuPEN）系統(tǒng)級建摸與仿真方法,提出了一種MEMS器件與接口電路的系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計方法與流程。以經(jīng)典的振動式MEMS為對象,深入研究了其關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)過程。論文主要工作和創(chuàng)新點如下:1.針對撓曲振動MEMS器件的主要功能結(jié)構(gòu)等截面矩形梁,研究了梁形變的形函數(shù),總結(jié)了梁類組件系統(tǒng)級行為模型建模理論。以非線性梁、側(cè)向梁電極和磁致動梁為例,介紹了梁類組件的建模過程。推導(dǎo)了組件的系統(tǒng)級解析數(shù)學(xué)模型,利用MuPEN方法建立了對應(yīng)的系統(tǒng)級多端口參數(shù)化組件,同時對新建組件進行... 

【文章來源】：西北工業(yè)大學(xué)陜西省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

MEMS分層設(shè)計體系[4]

圖 1.2 Coventor MP 軟件架構(gòu)圖[9]西北工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早開展 MEMS 集成設(shè)計工具研發(fā)工作的單位之一。在國家“863”計劃的支持下先后提出了支持任意流程的MEMS集成設(shè)計方法、可創(chuàng)成的MEMS集成設(shè)計方法和泛結(jié)構(gòu)化 MEMS 集成設(shè)計方法，并對 Stephen D Senturia 教授提出的分層設(shè)計體系進行了優(yōu)化，認為 MEMS 設(shè)計可分為系統(tǒng)級、器件級（原物理級）、工藝級三個層級，而原器件級設(shè)計僅作為有限元分析到系統(tǒng)級行為仿真的一個接口。在此基礎(chǔ)上，基于國產(chǎn)平臺構(gòu)建了泛結(jié)構(gòu)化 MEMS 集成設(shè)計工具 MEMS Garden，以滿足具有不同工程、學(xué)術(shù)背景的設(shè)計人員對多樣化 MEMS 的設(shè)計需求[10]。MEMS Garden 支持設(shè)計者從任意層級開始 MEMS 器件的設(shè)計工作，通過各層級的接口實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的無縫銜接，并完成全部層級及全流程的設(shè)計（圖 1.3）。同時 MEMS Garden 支持創(chuàng)新 MEMS 器件的設(shè)計，可實現(xiàn)對新能量域，新式器件的創(chuàng)新設(shè)計。IntelliSuite[11]是 IntelliSense 公司推出的世界上第一款 MEMS 集成設(shè)計工具。Intellisuite 不但具有傳統(tǒng) MEMS 設(shè)計工具行為仿真、物理仿真、版圖繪制等功能，其還擁有豐富的 MEMS 材料數(shù)據(jù)庫以及單步加工工藝的模擬功能，這是其他集成設(shè)計工具所不具備的。

MEMS 設(shè)計工具向著集成化、任意流程設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、與接口電路協(xié)同設(shè)計的方向發(fā)展，最終目的是在統(tǒng)一的平臺環(huán)境下實現(xiàn)所有 MEMS 的設(shè)計。但從實際情況來看，MEMS 集成設(shè)計工具的推廣應(yīng)用卻阻力重重。在 MEMS 設(shè)計上，目前仍然是設(shè)計人員根據(jù)習(xí)慣偏好以及器件的特點選擇不同的設(shè)計工具。這既不利于設(shè)計效率的提高，也不利于器件的優(yōu)化設(shè)計，更不利于同一類型 MEMS 器件設(shè)計流程的建立和優(yōu)化。參照MEMS 本身的固有屬性，需要在現(xiàn)有集成設(shè)計工具基礎(chǔ)上針對不同類別的 MEMS 器件研究相應(yīng)的建模、仿真、設(shè)計方法，有針對性地解決設(shè)計問題。另外，從英文名稱可以看出，典型的 MEMS 包含了器件結(jié)構(gòu)和接口電路。器件結(jié)構(gòu)由梁、膜片、梳齒、質(zhì)量塊等構(gòu)成，一般稱為 MEMS 器件；除器件結(jié)構(gòu)以外的電路模塊，如電源、信號處理電路、控制電路等，統(tǒng)稱為接口電路。因此 MEMS 的設(shè)計也就可以分為 MEMS 器件設(shè)計與接口電路設(shè)計。MEMS 器件與接口電路共同構(gòu)成完整的MEMS 系統(tǒng)，MEMS 器件向接口電路提供信號，接口電路則除了輸出傳感信號外也同時對 MEMS 器件進行反饋和控制，因此兩者之間是相互影響且緊密結(jié)合的，并共同決定著 MEMS 系統(tǒng)的性能。然而當(dāng)前兩者的設(shè)計卻是分離開來的，這種分離的設(shè)計無法直接實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能設(shè)計與評估，也難以進行兩者之間的迭代優(yōu)化，設(shè)計效率自然

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]微流控的系統(tǒng)級設(shè)計[J]. 苑偉政,焦文龍,常洪龍.  光學(xué)精密工程. 2013(12)
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[5]諧振式MEMS磁強計原理與研究進展[J]. 任大海,閻梅芝,尤政.  傳感器與微系統(tǒng). 2007(11)
[6]平板式可變電容器宏建模及其在MEMS設(shè)計中的應(yīng)用實例[J]. 何洋,霍鵬飛,馬炳和,苑偉政,姜澄宇.  機械科學(xué)與技術(shù). 2005(06)
[7]基于組件網(wǎng)絡(luò)方法的微加速度計建模與仿真[J]. 霍鵬飛,馬炳和,苑偉政.  航空學(xué)報. 2003(05)
[8]模擬硬件描述語言[J]. 肖立伊,葉以正.  微電子學(xué). 1997(04)

博士論文
[1]李薩茹掃描式微型激光投影顯示技術(shù)研究[D]. 劉耀波.西北工業(yè)大學(xué) 2014

碩士論文
[1]基于氮化鋁的壓電諧振式MEMS加度計研究[D]. 王一翔.浙江大學(xué) 2017
[2]微機電系統(tǒng)級建模與仿真研究[D]. 王晨華.南京航空航天大學(xué) 2005



本文編號：3563749