MEMS器件的計算機輔助設計方法和仿真研究

1、MEMS器件的計算機輔助設計方法和仿真研究【摘要】 MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展依賴于MEMS器件計算機輔助設計的發(fā)展和水平的提高。系統(tǒng)級仿真和多能量場耦合是MEMS器件計算機輔助設計的核心環(huán)節(jié)。提出了一種MEMS器件設計的參考方法，并對系統(tǒng)級仿真這一難點做了深入闡述。關鍵詞  MEMS  CAD  系統(tǒng)級仿真  多能量場耦合1 引言MEMS作為一個新興的強大的科學領域，雖然近年來取得了飛速的發(fā)展，但是相應的設計方法的發(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，而且通常使用IC平面制造技術(shù)，但它必須進行微機械所

2、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。此外，MEMS器件及系統(tǒng)的設計加工與傳統(tǒng)的設計加工不同。傳統(tǒng)的設計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械加工技術(shù)將所有的零件、電路和系統(tǒng)在通盤考慮下幾乎同時制造出來，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。因此要采用新觀念，站在系統(tǒng)高度來設計加工。鑒于此，建立一套專門的適用的計算機輔助設計、分析和仿真的方法勢在必行。MEMS器件設計軟件的發(fā)展始于2O世紀8O年代，許多商業(yè)機構(gòu)和大學認識到MEMS CAD軟件的重要性，紛紛投入大量的人力物力進行這方面的研究工作。

3、目前已經(jīng)開發(fā)一些商用MEMS軟件，這些系統(tǒng)對促進MEMS的研究進展使之從實驗室走向工業(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)單位特點CoventorWareCoventor公司功能最強、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MEMS器件設計、工藝和仿真。MEMCADMIT和 Microcosm公司功能比較齊全，可對設計制造全過程仿真。還有一個流體分析模塊，可對微泵，微閥進行分析。IntelliCADIntelliSense公司主要進行機_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。SOLIDISSwiss Federa

4、l Institute of Technology較靈活的網(wǎng)絡劃分，善于進行熱變形和熱致動的分析。2  MEMS器件計算機輔助設計21 MEMS器件計算機輔助設計方法的特點和傳統(tǒng)機電計算機輔助設計和微電子計算機輔助設計相比，由于MEMS 器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝特點，使得MEMS器件的計算機輔助設計具有與傳統(tǒng)計算機輔助設計不同的特點。尺寸的縮小引起工作機理和材料性質(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)機械中很少考慮的力，例如靜電力、表面張力等的作用明顯增強。另外，由于尺寸的縮小，晶體內(nèi)部的缺陷檢索，材料的強度增加，并且表現(xiàn)出一

5、些在常規(guī)尺度下不顯著的性質(zhì)和特征，并對MEMS器件的計算機輔助設計產(chǎn)生一定的影響。加工方法的變化。在目前MEMS器件的研制中，大量使用光刻腐蝕、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、精密機械加工等技術(shù)也被采用。微電子計算機輔助設計系統(tǒng)基本注重二維幾何形狀的設計和加工，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中所要設計和加工的對象是尺寸微小的三維機械部件。同時MEMS器件計算機輔助設計需要有對三維機械結(jié)構(gòu)的模擬手段和對各種機械性能及可靠性方面的檢測功能。MEMS器件的分析與設計是多場耦合問題。由于微機電系統(tǒng)應用的多樣化，在其工作原理上必然要涉及到微流體學

6、、微熱力學、化學、生物學等學科，這些學科之間的耦合問題也需要得到計算機輔助設計的支持。所以，必須建立一套專門的設計、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器件計算機輔助設計的設計原則由于MEMS與傳統(tǒng)機械和微電子系統(tǒng)在設計、加工上存在很大的差別，因此，MEMS器件的計算機輔助設計的研究必須要遵循以下的一些原則:MEMS技術(shù)的特點是多種學科相互交叉，涉及微電子學、微機械學、微動力學、微流體學、微熱力學、材料學、物理學、生物學等。這些作用域相互作用，共同組成完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)一定的物理功能。多能量域的耦合問題是計算機輔助設計系統(tǒng)所面臨

7、的最大挑戰(zhàn)。與基于平面工藝的IC工藝不同的是，MEMS的制造的目的是為了得到三維的幾何結(jié)構(gòu)。但是，一般的IC CAD不提供自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。MEMS的制造過程不僅會改變結(jié)構(gòu)的幾何輪廓，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)的電子和機械特性。因此，一個完整的計算機輔助設計系統(tǒng)必須建立相應的材料特性數(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幾何模型中。采用快速有效的算法。MEMS器件在幾何上是復雜的三維結(jié)構(gòu)，在物理上各種能量域相互耦合。計算中不僅要進行結(jié)構(gòu)內(nèi)部的量化分析，還要進行結(jié)構(gòu)外部的各種場的

8、分析如電場、流場等)。這些分析的計算量極大，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計實用的計算機輔助設計系統(tǒng)的基礎。2.3 MEMS器件計算機輔助設計的方法MEMS系統(tǒng)是采用微電子和微機械加工技術(shù)將所有的零件、電路和系統(tǒng)在通盤考慮下幾乎同時制造出來，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器件的設計過程。從圖1中可看出MEMS器件的設計模擬過程是:通過掩膜版圖設計及工藝設計，由結(jié)構(gòu)仿真器生成三維幾何模型;從材料數(shù)據(jù)庫中提取元件的材料特性，將其插入幾何模型中，生成完整的幾何模型;劃分網(wǎng)格進行分析和模擬，接著進行優(yōu)化，完成設計。各步驟的主

9、要功能如下所述:工藝設計是利用MEMS加工技術(shù)，定制合理的工藝流程，同時形成加工設計完成的MEMS器件的工藝信息文檔，便于MEMS器件的加工。MEMS 器件計算機輔助設計方法中，要生成設計器件的三維實體，首先必須定制器件的加工工藝。目前加工MEMS器件的工藝主要有：精密機械加工技術(shù)、硅微機械加工技術(shù)、LIGA工藝等。掩膜版圖設計是將邏輯設計轉(zhuǎn)換成物理幾何表示的一個過程，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)輸出幾個主要階段。版圖設計的實現(xiàn)有很多種，基于標準單元的設計方法因高效且可靠的特點成為目前業(yè)界最流行的模式。在MEMS器件的設計中掩膜版圖設計可以簡單的理解為設計器件在平面上或

10、XY平面上的結(jié)構(gòu)和布局。結(jié)構(gòu)仿真器的作用是，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)工藝設計和掩膜版圖設計來生成三維實體模型。這類似于實際的生產(chǎn)過程，每一個工步，從材料特性數(shù)據(jù)庫中讀取相應數(shù)據(jù)，依此計算各工步的效果，并對模型的結(jié)構(gòu)進行修改。在進行過程中，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。以后的所有分析都基于由結(jié)構(gòu)仿真器生成的該實體模型。材料特性數(shù)據(jù)庫。相對設計傳統(tǒng)機械設計工程師，MEMS的設計人員不僅沒有足夠的設計手冊，甚至缺少MEMS設計中所特有的、與耦合特性有關的材料常數(shù)。這使設計人員難以精確地設計結(jié)構(gòu)的尺寸。由于MEMS器件

11、的尺寸較小，給這些特性的測量來了一定困難。因此，一般設計專門結(jié)構(gòu)進行測量。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。MEMS器件的模擬和優(yōu)化。生成器件的三維實體模型后，對器件進行網(wǎng)格劃分，就可利用BEM/EFMS器件進行模擬。這其中由于MEFM/VM方法對MEMS器件包括熱、流體、電磁、機械等相互作用，使MEMS的仿真與建模越來越復雜，在MEMS 設計中遇到的最大的挑戰(zhàn)是多能量域的耦合分析。在進行仿真時，不僅要針對各個域的特點，尋找相應的算法，還要解決不同域的耦合問題。在分析完成后，可以對設計的器件進行優(yōu)化，進一步提高器件的質(zhì)量。最后可以提取器件的宏

12、模型用于系統(tǒng)級的仿真。3 提取宏模型實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真隨著MEMS器件集成度的提高, 如何對其整體行為(即系統(tǒng)級行為) 進行快速建模與仿真成為目前MEMS計算機輔助設計的重要內(nèi)容。3.1 多能量域分析在MEMS設計中遇到的最大的挑戰(zhàn)是多能量域的耦合分析在進行仿真時，不僅要針對各個域的特點尋找相應的算法，還要解決不同域的耦合問題。目前，一些耦合場計算方法已經(jīng)被引入工程分析軟件中，如ANSYS、CFD等，用于MEMS器件耦合場分析，但采取的具體措施不盡相同。目前，常用方法有： 有限元方法(FEM )進行線性、非線性固體、殼、板及6自由度梁的應力、變形場分析也可用于時域、模態(tài)的模擬。邊界元方法

13、(BEM )用帶自適應網(wǎng)格劃分功能BEM進行靜電場分析。有限體積方法(FVM )進行穩(wěn)(暫)態(tài)流動、熱傳導、多相流、生物、化學作用等的模擬分析，也可進行電、磁的靜態(tài)分析或動態(tài)分析?；蚓C合運用各種方法，針對不同的域采用相應的模塊進行分析，各模塊之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 建立宏模型實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真對于MEMS器件輔助設計來講，在任何一個獨立的能量域自然可以采用FEM、BEM、FVM等數(shù)值算法來優(yōu)化模型，然后通過適當?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，但是計算量巨大，極為耗時。實際設計中設計者可能并不刻意追求系統(tǒng)局部的特征，相反卻非常

14、重視系統(tǒng)的總體性能、輸入輸出特性，因此完全可以建立一種對耦合場進行簡化、降低其自由度的宏觀模型(Macro-Model)。如何建立宏模型，目前沒有統(tǒng)一的方法，常見的有三種：節(jié)點分析法、黑箱分析模型和VHDLAMS VHDL。1）、節(jié)點分析法（NODAS）將系統(tǒng)看成是由多個同一能量域或不同能量域的基本單元組成的，每個單元為一個節(jié)點，相當于電路中基本元件如電阻、電容等，運用AHDL語言將上述節(jié)點與真實電路連接在一起形成網(wǎng)絡，建立系統(tǒng)的微分方程運用 SABER或SPICE進行系統(tǒng)仿真。NODAS方法主要針對微致動器、傳感器而研究開發(fā)的，采用集中參數(shù)描述，對于復雜微機電系統(tǒng)難以勝任。2）、黑箱分析模型

15、。對MEMS耦合場進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)的自由度，不計較系統(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)的動力學方程變換為AHDI，作為一個黑箱插入模擬電路仿真器中。只要合理的構(gòu)造變形狀態(tài)的完備集、系統(tǒng)的能量表達式，可以獲得很高的計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，不便于設計，且計算量很大。3）、VHDLAMS是根據(jù)能量守恒定律,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

16、器件，形成相應的庫單元，利用現(xiàn)有的系統(tǒng)級仿真軟件saber和電路一起進行模擬和仿真。若器件的邊界條件改變，可以很快地通過修改相應器件的VHDLAMS源代碼并進行仿真。但是VHDLAMS只能對常微分和代數(shù)方程進行建模，對于描述有些MEMS動態(tài)特性的偏微分方程卻無能為力。目前，MEMS CAD在計算速度，建模和應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域的研究中來。參 考 文 獻1Romanowiee，BFMethodology for the Modeling and Simulation of M

17、icrosystemsMKluwer Academic Publishers，19982Bullinger H J，Richter M，Seidel K AVirtual assembly planingHuman Factors and Ergonomics In Manufacturing，2000,10(3)3Ramaswamy D , A luru N , White J. Fast Coup led-Domain Mixedregime Electrom echanical Simulation. Proc Int ConfSolid-State Sensors and Actuators, Japan: 1999: 314 3174NRSwartSFBartMHZaman，etalAutoM M：A