《微裝配與MEMS仿真導(dǎo)論》課件第9章

第九章MEMSCAD比較91MEMSCAD的研究概況

92MEMSCAD的關(guān)鍵技術(shù)

93現(xiàn)今MEMSCAD的不足及困難

94MEMSCAD實(shí)現(xiàn)方案

MEMSCAD即MEMSComputerAidedDesign(MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))，是MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)重要分支。隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，在MEMS領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的需求變得越來(lái)越迫切。

MEMS技術(shù)涉及力學(xué)、流體力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和電磁學(xué)等多個(gè)學(xué)科。MEMS器件作為一種新興器件，其設(shè)計(jì)已不再是傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)，而是包含了新工作原理的研究和新器件結(jié)構(gòu)的開發(fā)。MEMS器件的設(shè)計(jì)需要綜合多學(xué)科理論分析，這大大增加了設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的難度，常規(guī)分析計(jì)算已無(wú)法應(yīng)付設(shè)計(jì)需求。9.1MEMSCAD的研究概況幸運(yùn)的是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得CAD技術(shù)在器件設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，2D和3D計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的發(fā)展使我們能夠?qū)?fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)及版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，有限元技術(shù)的應(yīng)用使得我們可以用精確的計(jì)算機(jī)數(shù)值求解方法來(lái)分析和預(yù)測(cè)器件的性能，對(duì)器件工作的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬成為可能。從而使我們能夠?qū)EMS器件結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化。國(guó)外在20世紀(jì)90年代初就研究出了用于硅壓力傳感器設(shè)計(jì)的MEMSCAD軟件(CAEMEMS)。在MEMS的工藝模擬、器件的建模、分析模擬以及設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，20世紀(jì)90年代中期，IntelliSense公司和MicrocosmTechnologies公司已開始提供商業(yè)專業(yè)軟件IntelliSuite和MEMCAD，可用于三維MEMS的工藝和器件模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化。其中，Microcosm開發(fā)的MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析集成工具M(jìn)EMCAD現(xiàn)已發(fā)展到4.5版本。Illinois大學(xué)開發(fā)的ACES軟件可用于硅濕法腐蝕、砷化鎵濕法腐蝕和RIE腐蝕工藝的模擬，應(yīng)用ACES可根據(jù)設(shè)計(jì)的版圖和刻蝕條件得出腐蝕后的三維MEMS結(jié)構(gòu)，ACESbeta1和ACESbeta2還作為免費(fèi)軟件可在互聯(lián)網(wǎng)上下載。除了專業(yè)軟件外，許多有限元分析軟件已用于MEMS器件的建模、分析和模擬，其中ANSYS作為大型有限元分析軟件在MEMS器件的設(shè)計(jì)和模擬方面的成功應(yīng)用，已得到MEMS設(shè)計(jì)者的青睞。ANSYS軟件包包含了力、熱、聲、流體、電、電磁等分析模塊，其耦合場(chǎng)分析部分還包含了MEMS器件常用的壓電分析，其流體分析模擬模塊ANSYS/FLOTRAN已成為國(guó)際默認(rèn)的MEMS流體模擬分析標(biāo)準(zhǔn)軟件。

鑒于MEMS計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和模擬技術(shù)的應(yīng)用需求，許多通用軟件也已應(yīng)用于MEMS設(shè)計(jì)和模擬，如AutoCAD用于MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模，TannerToolSPro為MEMS提供版圖設(shè)計(jì)，MATLAB用于模擬數(shù)據(jù)的后處理和圖形化，Cadence用于接口電路的設(shè)計(jì)模擬等。一些軟件還為MEMS應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)，最近Analogy和MicrocosmTechnologies宣布共同開發(fā)出AutoMM/Saber軟件，該軟件將為MEMS計(jì)算機(jī)模擬提供從EDA(ElectronicDesignAutomation)到MDA(MechanicalDesignAutomation)的橋梁。Microcosm的3DMEMCAD和Analogy的MASTHDL(HardwareDescriptionLanguage)結(jié)合而成的Saber軟件已經(jīng)為AnalogDevices的ADXL系列汽車氣囊加速度傳感器提供了成功的模擬。MEMS軟件工具較為完善，由于計(jì)算機(jī)模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠大大縮短新型MEMS器件的研制周期，有效地減少研制成本和提高器件的性能，因此在MEMS器件的研制中，目前已被廣泛采用。

國(guó)外在開展微機(jī)電系統(tǒng)研究的初期就非常重視對(duì)CAD系統(tǒng)的研究。從20世紀(jì)80年代開始，已開發(fā)出一些較為完整的CAD系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)促進(jìn)MEMS的研究進(jìn)展，使之從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化起了很大的作用。除上面已經(jīng)提到的軟件之外，比較有代表性的還有：美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)和微觀世界公司(Microcosm)開發(fā)的MEMSCAD；

Michigan大學(xué)開發(fā)的CAE(ComputerAidedEngineer)MEMS；智能傳感器公司(IntelliSense)開發(fā)的IntelliCAD；瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所開發(fā)的SOLIDIS；美國(guó)Coventor公司開發(fā)的CoventorWare等系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)的研究人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，希望在試制之前，能夠在計(jì)算機(jī)上首先進(jìn)行虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能對(duì)MEMS的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其性能進(jìn)行分析和計(jì)算，在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)Ω鞣N設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較和驗(yàn)證。這樣可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低成本，縮短研制周期。因此CAD技術(shù)已成為MEMS研制過(guò)程中一個(gè)不可缺少的手段。9.1.1MEMSCAD的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)原則

1.MEMSCAD的特點(diǎn)

由于微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造工藝的特點(diǎn)，微機(jī)電系統(tǒng)CAD具有以下與傳統(tǒng)CAD不同的特點(diǎn)：

1)工作機(jī)理和材料性質(zhì)的變化

結(jié)構(gòu)尺寸的縮小使力的作用效應(yīng)和材料的性質(zhì)都發(fā)生了變化。一些在傳統(tǒng)機(jī)械中很少考慮的力隨著結(jié)構(gòu)尺寸的縮小，其作用與影響明顯增強(qiáng)，如靜電力、表面張力等。同時(shí)，由于微機(jī)械加工工藝的限制，使微機(jī)電系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理與傳統(tǒng)機(jī)械有很大的不同。另外，由于尺度的縮小，材料的晶體缺陷減少，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。這些材料性質(zhì)的變化，也會(huì)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。

2)加工方法的變化

目前在微機(jī)電系統(tǒng)的加工中，更多的是使用諸如光刻腐蝕、RIE、ICP等微電子加工技術(shù)，此外，電解、激光加工等技術(shù)也被較多采用。在尺寸相對(duì)較大的MEMS部件中，也可能使用精密機(jī)械加工方法。但微機(jī)電系統(tǒng)中有關(guān)微機(jī)械的加工，已從微電子的二維平面加工發(fā)展為三維立體機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工，在設(shè)計(jì)中也更加注重所設(shè)計(jì)和制造對(duì)象的機(jī)械特性與功能。這些都使得微機(jī)電系統(tǒng)中有關(guān)微機(jī)械的加工工藝與微電子的加工工藝有很大的不同。

3)與微電子系統(tǒng)耦合緊密

由于微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展方向是將微傳感器、微執(zhí)行器以及信號(hào)處理與控制電路集成在一起，構(gòu)成一個(gè)完整而復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，這對(duì)于提高微機(jī)電系統(tǒng)的集成度和可靠性，增加功能，降低成本是非常重要的。同時(shí)，為了解決檢測(cè)問(wèn)題，許多微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自檢測(cè)線路。因此，在微機(jī)電系統(tǒng)中電子線路與機(jī)械部分的耦合是非常緊密的，這也必然要求其CAD系統(tǒng)提供相應(yīng)的支持。除了與微電子系統(tǒng)緊密耦合外，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)科之間的耦合問(wèn)題也需要得到CAD的支持。綜上所述，由于微機(jī)電系統(tǒng)涉及到機(jī)械和微電子等多個(gè)領(lǐng)域，因此，微機(jī)電系統(tǒng)CAD既不是傳統(tǒng)的機(jī)械CAD，也不是傳統(tǒng)的微電子CAD。同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)也不是兩者之間簡(jiǎn)單的相加，而是兩者之間有機(jī)的結(jié)合與擴(kuò)展，還要考慮與其他能量域的耦合問(wèn)題。

2.MEMSCAD的設(shè)計(jì)原則

由于微機(jī)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械和微電子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、加工上存在很大的差別，因此，微機(jī)電系統(tǒng)CAD的研究必須與此相適應(yīng)，要遵循以下的一些原則：

(1)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)涉及微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微動(dòng)力學(xué)、微流體學(xué)、電磁靜力學(xué)、微熱力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，這些學(xué)科相互作用，共同構(gòu)成了完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)確定的功能。多能量域的耦合問(wèn)題是微機(jī)電系統(tǒng)CAD最迫切也是最難以解決的問(wèn)題。

(2)由于微機(jī)電系統(tǒng)的制造目的是得到三維的幾何結(jié)構(gòu)，因此，微機(jī)電系統(tǒng)CAD要能夠提供自動(dòng)生成三維模型的工具，要有結(jié)構(gòu)仿真器。

(3)微機(jī)電系統(tǒng)的加工制造過(guò)程不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，還會(huì)改變材料的性質(zhì)，這將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的電子和機(jī)械特性。因此，微機(jī)電系統(tǒng)CAD必須建立相應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以根據(jù)工藝流程自動(dòng)地將材料特性插入三維幾何模型中。

(4)微機(jī)電系統(tǒng)的器件在幾何上是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，在物理上各種能量域相互耦合。計(jì)算中不僅要進(jìn)行內(nèi)部的量化分析，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)外部各種場(chǎng)(如電場(chǎng)、流場(chǎng)等)的分析。這些分析計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，而且要求有較大的內(nèi)存，因此，微機(jī)電系統(tǒng)CAD要以快速有效的算法作為基礎(chǔ)。9.1.2MEMSCAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

MEMS器件涉及多個(gè)能量域，設(shè)計(jì)過(guò)程也比較復(fù)雜，一般可以分為自頂向下(Top-Down)和自底向上(Bottom-Up)兩種方式，目前研究比較多的是前者。圖9.1給出了其一般設(shè)計(jì)流程。

設(shè)計(jì)者根據(jù)具體功能需求設(shè)計(jì)出產(chǎn)品概念模型后，即可進(jìn)行初步的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；然后根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)果，先進(jìn)行功能仿真，在仿真結(jié)果滿足要求的情況下進(jìn)行器件的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化；在器件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行系統(tǒng)集成，再提取功能模型進(jìn)行仿真，如果仿真結(jié)果符合要求則產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束，可進(jìn)行生產(chǎn)，否則還要修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由此過(guò)程可以看出，MEMS的設(shè)計(jì)過(guò)程中模型的建立和仿真是非常重要的部分。根據(jù)處理對(duì)象的不同可大致將MEMS建模過(guò)程分為4個(gè)層次，如圖9.2所示。

圖9.1MEMS系統(tǒng)自頂向下設(shè)計(jì)流程

圖9.2MEMS建模層次

(1)工藝層處于最底層，用于提供加工工藝過(guò)程的參數(shù)庫(kù)，如光刻工藝中的掩膜厚度、曝光時(shí)間、硅腐蝕過(guò)程中的腐蝕速度等。

(2)物理層處于建模層次的第二層，包含一些典型材料參數(shù)庫(kù)、典型MEMS器件結(jié)構(gòu)庫(kù)，可以對(duì)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真。

(3)器件層用于建立器件的宏模型(Macromodel)，為了保證計(jì)算速度，此模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，但是保留了器件的所有必須的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，易于集成到系統(tǒng)模型中。

(4)系統(tǒng)層將器件層獲得的宏模型集成到系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

根據(jù)MEMS器件的設(shè)計(jì)流程和建模層次的需求，在總結(jié)現(xiàn)有商用軟件功能的基礎(chǔ)上，提出了一般MEMSCAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖9.3所示。

圖9.3一般MEMSCAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)數(shù)據(jù)庫(kù)層

數(shù)據(jù)庫(kù)層為設(shè)計(jì)和仿真工作提供基礎(chǔ)支持，是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的一部分。數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包含以下一些子庫(kù)：常用材料參數(shù)庫(kù)，典型MEMS結(jié)構(gòu)、器件庫(kù)，常用MEMS加工工藝參數(shù)庫(kù)等。

目前，許多MEMSCAD商用軟件中都有這些庫(kù)文件作為底層支持，如Coventor公司的軟件產(chǎn)品CoventorWare分為4個(gè)模塊，其中的ARCHITECT模塊中就有一個(gè)參數(shù)化MEMS部件庫(kù)，包括機(jī)電、流體、光學(xué)和射頻等器件結(jié)構(gòu)；DESIGNER模塊中有一個(gè)材料參數(shù)庫(kù)，保存了加工過(guò)程中所需要材料的性能參數(shù)。其他如MEMSCAP、IntelliSuite等都包含一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于MEMS材料、器件的不斷增加，加工工藝的不斷改進(jìn)，這些底層數(shù)據(jù)庫(kù)都可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)充，以滿足用戶向數(shù)據(jù)庫(kù)添加內(nèi)容的要求。

2)邏輯設(shè)計(jì)工具

邏輯設(shè)計(jì)工具提供對(duì)器件或單元邏輯圖的設(shè)計(jì)支持，邏輯圖中各模塊間傳遞的信號(hào)既有電信號(hào)(如電壓、電流等)，又有機(jī)械信號(hào)(如力、位移等)，這就要求邏輯設(shè)計(jì)工具要同時(shí)支持兩種接口的定義和實(shí)現(xiàn)。

3)邏輯仿真工具

邏輯仿真工具主要完成如下工作：根據(jù)MEMS器件邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果，對(duì)其功能進(jìn)行仿真，并檢測(cè)各接口信號(hào)是否和設(shè)計(jì)一致。

4)版圖設(shè)計(jì)工具

版圖是器件加工以及后續(xù)功能驗(yàn)證的基礎(chǔ)，器件邏輯仿真結(jié)果無(wú)誤后，就要進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者利用版圖設(shè)計(jì)工具不僅可以進(jìn)行器件版圖的布局，還可以進(jìn)行布局圖的導(dǎo)入、導(dǎo)出。由于器件中有機(jī)械結(jié)構(gòu)，版圖設(shè)計(jì)工具還應(yīng)支持機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)。

5)版圖仿真工具

實(shí)用MEMS器件的版圖中同時(shí)包含電路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，布局比較復(fù)雜，為了保證其功能的正確性，在版圖設(shè)計(jì)完成后，由版圖仿真工具對(duì)版圖進(jìn)行功能模型的提取，并根據(jù)提取模型對(duì)器件特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

6)三維模型建模工具

建立器件三維模型的過(guò)程既可由設(shè)計(jì)者通過(guò)建模工具交互完成器件三維模型的設(shè)計(jì)，也可根據(jù)二維版圖和器件加工工藝文件，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的工藝過(guò)程參數(shù)，由三維建模工具自動(dòng)生成器件的三維模型。

7)器件性能仿真工具

器件性能仿真是MEMS器件設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)步驟，器件設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真優(yōu)化工作做得越好，加工出的樣件出錯(cuò)的可能性就越小。器件性能仿真工具接收三維建模工具中生成的器件三維模型，在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，利用有限元、邊界元以及有限差分等方法分析器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

8)宏模型建模工具

MEMS器件設(shè)計(jì)完成后，還要集成到系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，這就需要對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，建立器件的宏模型。宏模型的建立依賴于器件的幾何結(jié)構(gòu)和組成，不僅要保留器件所有必要的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，而且要易于集成到系統(tǒng)模型中。

9)系統(tǒng)級(jí)仿真工具

利用系統(tǒng)級(jí)仿真工具，設(shè)計(jì)者可將各器件的宏模型進(jìn)行組合，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

微機(jī)電系統(tǒng)CAD應(yīng)為MEMS的設(shè)計(jì)、分析和模擬等提供一個(gè)完整的環(huán)境。圖9.4是一個(gè)典型的微機(jī)電系統(tǒng)CAD體系結(jié)構(gòu)。

圖9.4微機(jī)電系統(tǒng)CAD的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地說(shuō)，用CAD進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和模擬的過(guò)程如下：

首先，通過(guò)掩膜版圖設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)，由結(jié)構(gòu)仿真器生成三維幾何模型；

其次，從材料數(shù)據(jù)庫(kù)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，進(jìn)行器件級(jí)的模擬及多耦合場(chǎng)分析；

最后，根據(jù)器件級(jí)模擬結(jié)果建立宏模型，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。

在上述MEMSCAD系統(tǒng)的各個(gè)模塊中，有一部分已經(jīng)非常成熟。然而，由于MEMS的復(fù)雜性，針對(duì)MEMSCAD系統(tǒng)還有一些關(guān)鍵的、尚未完全解決的問(wèn)題，主要有：快速有效的數(shù)值計(jì)算方法、多能量域耦合仿真、非線性宏模型的建模方法、自動(dòng)化器件版圖綜合、加工工藝的生成和優(yōu)化及多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同設(shè)計(jì)等。9.2MEMSCAD的關(guān)鍵技術(shù)9.2.1數(shù)值計(jì)算方法研究和多能量域耦合仿真

1.數(shù)值計(jì)算方法研究

與傳統(tǒng)大尺寸機(jī)電產(chǎn)品相比，MEMS產(chǎn)品對(duì)數(shù)值分析的依賴性更強(qiáng)，一方面，其三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要像傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品那樣采用有限元等方法進(jìn)行分析；另一方面，由于MEMS器件尺寸很小，其性能更容易受外部因素的影響，特別是一些表面力，如空氣壓力、流體摩擦力等，求解這些外部力時(shí)所建立的方程很多情況下無(wú)法求得其精確解，也需要采用數(shù)值方法來(lái)計(jì)算，如有限差分法、有限元法、邊界元法、有限體積法、譜方法等。有限差分法是一種比較傳統(tǒng)的解微分方程的數(shù)值方法，其基本思想是將微分方程中的微分算子直接以差分替代，構(gòu)成一組包含有限個(gè)未知數(shù)的聯(lián)立方程組，進(jìn)而求方程組的解。這種方法主要的數(shù)學(xué)分析工具就是泰勒定理，目前其主要相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題的數(shù)學(xué)分析及算法研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。有限差分法的缺點(diǎn)在于當(dāng)微分方程的定義域不是規(guī)則形狀或者其正確解不具較高平滑性時(shí)，數(shù)學(xué)分析和算法就會(huì)比較復(fù)雜。有限元法是從等價(jià)區(qū)域上的變分形式出發(fā)，近似地求解微分方程邊值問(wèn)題的一類非常重要的數(shù)值方法。進(jìn)行有限元分析的過(guò)程可以大致分為如下4個(gè)步驟：劃分單元格，即根據(jù)具體的分析要求將整體結(jié)構(gòu)劃分成有限個(gè)單元，單元可能是一維、二維或者三維等類型；單元分析，即選擇單元的位移方式并分析單元力學(xué)特性，建立單元上節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系，得到單元的剛度方程；整體分析，即集合所有單元的剛度方程構(gòu)建方程組；解方程組。針對(duì)有限元法本身以及如何將有限元法更廣泛地應(yīng)用到MEMS器件模擬過(guò)程中的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在這方面已開展了很多研究，并且取得了不少成果，如模型單元格的劃分方法、有限元分析在MEMS器件封裝可靠性分析中的應(yīng)用等。

邊界元法將微分方程轉(zhuǎn)換成邊界積分方程，然后進(jìn)行離散求解。由于離散后的方程組只含有邊界上的未知數(shù)，從而降低了問(wèn)題的維數(shù)，因此，在求解非時(shí)變的外部力時(shí)，邊界元法在很多情況下比其他數(shù)值方法更有效。將邊界元法與錯(cuò)誤預(yù)測(cè)和自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)分方法結(jié)合起來(lái)，可以有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)計(jì)算速度和精度問(wèn)題。

2.多能量域耦合仿真

在處理多能量域耦合問(wèn)題時(shí)常用的方法有兩種：一種是在各能量域分別建立方程組，然后交叉迭代求解。

目前各種數(shù)值計(jì)算方法在不同領(lǐng)域應(yīng)用的效果有很大不同，如有限元分析擅長(zhǎng)解決固體、結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，有限差分法在流體力學(xué)中應(yīng)用較多，而靜電場(chǎng)中使用邊界元方法比較有效。為了發(fā)揮各種方法的特長(zhǎng)，可以在各個(gè)能量域使用不同的方法建立相應(yīng)的方程組：

Ri(x1，x2，…，xi，…，xm)

(i＝1，2，…，m) (9-1)圖9.5Gauss-Seidel松弛迭代法流程圖

xj(i≠j)是除本能量域外其他能量域的未知數(shù)，在解方程組Ri時(shí)作為輸入量。各能量域聯(lián)立的方程組常用Gauss-Seidel松弛迭代法求解，其基本流程如圖9.5所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)不同能量域可以選擇比較成熟的相關(guān)商用軟件建立方程。但是這種方法的計(jì)算量可能會(huì)比較大；另外，當(dāng)各能量域耦合比較緊密時(shí)，Gauss-Seidel方法可能不收斂。為了使計(jì)算過(guò)程能夠收斂，可以采用完全牛頓法(FullNewtonmethod)或者多級(jí)牛頓法(MultilevelNewtonmethod)求解。另一種方法是直接建立耦合方程組，迭代求出最終解。當(dāng)各能量域耦合非常緊密，在各能量域分別建立方程而耦合求解非常困難時(shí)，往往要采用這種方法。求解時(shí)一般采用基于能量的拉格朗日法建立各能量域耦合的方程(這些方程大多是非線性的)，然后利用Newton-Raphson法或者Riks-Crisfield方法迭代求解。9.2.2宏模型建模

宏模型是為了系統(tǒng)級(jí)模擬而建立的器件簡(jiǎn)化模型。為了保證系統(tǒng)模擬過(guò)程的速度和正確性，宏模型對(duì)器件模型的自由度進(jìn)行了降階，因此，又稱為降階模型(Reduced

OrderModel)。建立宏模型的方法主要有兩種：一種是利用等效電路建模；另一種是利用硬件描述語(yǔ)言(HardwareDescriptionLanguages，HDL)建模。

等效電路模型是一種常用的MEMS宏模型，其建模原則是：采用等效的電路結(jié)構(gòu)和變量代替除電量外其他能量域的結(jié)構(gòu)和變量，表9.1給出了不同電量和機(jī)械量各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表9.1電量和機(jī)械量對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)于流體、熱等物理場(chǎng)各參數(shù)，也有相應(yīng)的電參數(shù)與其對(duì)應(yīng)。將其他結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成電路結(jié)構(gòu)后，所建立的宏模型可以使用常用的電路模擬軟件(如SPICE等)進(jìn)行模擬求解，因此比較方便。當(dāng)器件是連續(xù)體時(shí)，如何將其劃分成離散的單元以及如何確定各單元所對(duì)應(yīng)等效電路器件的參數(shù)都是比較困難的問(wèn)題。

硬件描述語(yǔ)言最初應(yīng)用于電子領(lǐng)域，主要用來(lái)描述電子器件的邏輯。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，硬件描述語(yǔ)言在MEMS領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，這其中比較常見的是VHDL-AMS語(yǔ)言。VHDL-AMS并不是一個(gè)正式的語(yǔ)言名，而是IEEE兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(VHDL1076-1993和VHDL1076.1-1999)的合稱，可用于描述數(shù)字、模擬和混合信號(hào)。使用這種方法建模時(shí)，一般要首先建立系統(tǒng)的常微分方程，然后根據(jù)方程利用HDL描述系統(tǒng)特性，這樣建立的模型可以直接應(yīng)用于系統(tǒng)層的仿真，而且很多現(xiàn)有電子領(lǐng)域的仿真軟件都能夠支持HDL模型。

為了減少設(shè)計(jì)者的工作量，需要建立宏模型自動(dòng)生成系統(tǒng)，將常用MEMS結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的電路模型存入數(shù)據(jù)庫(kù)，建模時(shí)根據(jù)器件結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成宏模型。目前一些研究人員已在這方面取得一定成果，但要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)建模還存在很多困難。9.2.3版圖綜合及加工工藝的生成和優(yōu)化

1.版圖綜合

所謂版圖綜合，就是根據(jù)上一層的功能描述和附加的設(shè)計(jì)約束條件直接生成器件的版圖。實(shí)現(xiàn)此功能需要建立常用模塊的版圖數(shù)據(jù)庫(kù)、布局參數(shù)庫(kù)等，進(jìn)行版圖綜合時(shí)再根據(jù)功能描述從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)的版圖布局?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的不同，產(chǎn)生的版圖可能不只一個(gè)(當(dāng)然也可能無(wú)法找到滿足設(shè)計(jì)約束的版圖)，這就需要有個(gè)優(yōu)化選擇的過(guò)程，一般版圖綜合的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖9.6所示。器件的功能描述、幾何信息以及加工制造條件都作為版圖綜合的輸入，最終的輸出結(jié)果則是優(yōu)化后的器件版圖。目前，對(duì)于復(fù)雜的MEMS器件，其版圖綜合過(guò)程還需要較多人工交互，遠(yuǎn)沒有達(dá)到完全自動(dòng)化的目標(biāo)。

圖9.6版圖綜合流程

2.加工工藝的生成和優(yōu)化

MEMS器件的設(shè)計(jì)和制造工藝聯(lián)系非常緊密，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，僅僅根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定器件的制造工藝是一件非常困難的事情。一方面，目前MEMS三維結(jié)構(gòu)的微制造方法主要是基于硅微加工工藝的體硅腐蝕方法，比微電子表面工藝復(fù)雜，加工過(guò)程及結(jié)果受很多外界條件的影響；另一方面，有些三維結(jié)構(gòu)采用硅腐蝕工藝無(wú)法完成，為了解決這一問(wèn)題，很多研究人員在不斷尋求加工MEMS三維結(jié)構(gòu)的新工藝和新方法，并取得一些成果，使得微結(jié)構(gòu)制造工藝的可選擇性逐步擴(kuò)大。

因此，需要一個(gè)功能強(qiáng)大的輔助工具，根據(jù)器件版圖和要求的加工條件確定工藝流程，一些研究機(jī)構(gòu)在這方面已經(jīng)取得了一定的成果。

就目前的技術(shù)條件來(lái)說(shuō)，完全自動(dòng)地產(chǎn)生MEMS器件的制造工藝流程還比較困難，通常情況下，可以由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在軟件工具的幫助下交互地產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)備選工藝，然后進(jìn)行工藝過(guò)程的優(yōu)化，其流程如圖9.7所示。在工藝產(chǎn)生過(guò)程中，還有一個(gè)比較重要的問(wèn)題就是加工過(guò)程仿真。加工仿真的精度很大程度上取決于所建立加工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，如硅微加工過(guò)程中的腐蝕速度，微細(xì)電火花加工的燒蝕速度、表面精度等。

圖9.7工藝過(guò)程優(yōu)化流程值得一提的是，近幾年國(guó)內(nèi)在MEMS工藝生成和優(yōu)化方面的研究有了很大進(jìn)展，北京大學(xué)微電子所開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面向工藝的MEMSCAD系統(tǒng)IMEE，該系統(tǒng)突出了工藝設(shè)計(jì)和工藝規(guī)則檢查，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)、工藝規(guī)則檢查及其在線模擬。

3.多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同設(shè)計(jì)

和傳統(tǒng)微電子或機(jī)械系統(tǒng)相比，MEMS設(shè)計(jì)需要的知識(shí)更多，包括電子、機(jī)械、流體、物理、化學(xué)、力學(xué)和材料等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，而設(shè)計(jì)者很難精通上述所有領(lǐng)域，因此，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同工作顯得尤為重要。針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)工具研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，如SolidWorks、Pro/ENGINEER中就包含了一些協(xié)同設(shè)計(jì)工具；清華大學(xué)開發(fā)了基于Web的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)CodesignSpace，包含信息共享、瀏覽批注、沖突檢測(cè)等多個(gè)工具。MEMS器件協(xié)同設(shè)計(jì)的問(wèn)題正在引起一些研究人員的注意，并提出了以提高系統(tǒng)整體性能為目標(biāo)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，但如何更有效地發(fā)揮各領(lǐng)域?qū)＜业奶亻L(zhǎng)以設(shè)計(jì)出更為實(shí)用的MEMS產(chǎn)品仍然是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題，如：沖突的發(fā)現(xiàn)和消解、不同設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)工具所產(chǎn)生設(shè)計(jì)信息的集成和共享、各專家經(jīng)驗(yàn)的共享等。

1.現(xiàn)今MEMSCAD的不足

隨著MEMS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，各種新結(jié)構(gòu)、新原理的MEMS器件也不斷出現(xiàn)。這一方面充實(shí)了MEMSCAD中各種可重用的IP庫(kù)，但另一方面也對(duì)固有的MEMSCAD框架和設(shè)計(jì)流程形成了沖擊。這種沖擊主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)流程日趨多樣化和設(shè)計(jì)工具日益龐大化兩個(gè)方面。9.3現(xiàn)今MEMSCAD的不足及困難首先在設(shè)計(jì)流程上，無(wú)論是最初的自底向上(Bottom-Up)設(shè)計(jì)方法，還是現(xiàn)在主流的自頂向下(Top-Down)設(shè)計(jì)方法，都試圖通過(guò)一種設(shè)計(jì)流程來(lái)統(tǒng)一所有MEMS器件的設(shè)計(jì)。這固然符合結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思想，即通過(guò)一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范MEMS設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率。但對(duì)于功能、原理、形式都各異的MEMS器件來(lái)說(shuō)，這種強(qiáng)行的統(tǒng)一未必能取得預(yù)想中的效率提高。

對(duì)于陀螺，基于集總參數(shù)模型的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)既可以快速得到一般設(shè)計(jì)所需的模態(tài)、拉入電壓等設(shè)計(jì)指標(biāo)，還可以與接口電路一起構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)行為仿真。因此，其設(shè)計(jì)流程可以是系統(tǒng)級(jí)→工藝級(jí)，無(wú)需進(jìn)行基于有限元的器件級(jí)設(shè)計(jì)。但對(duì)于壓力傳感器而言，僅僅依靠基于集總參數(shù)模型的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)就很難完成壓力分布等所需的計(jì)算指標(biāo)，此時(shí)就需要基于有限元的器件級(jí)設(shè)計(jì)，因此其設(shè)計(jì)流程可以為器件級(jí)→系統(tǒng)級(jí)→工藝級(jí)。

可見，MEMSCAD的設(shè)計(jì)流程應(yīng)該提供足夠的靈活性來(lái)滿足MEMS器件多樣化帶來(lái)的個(gè)性化設(shè)計(jì)需求，這樣相比于單一的設(shè)計(jì)流程反而能提高M(jìn)EMS的設(shè)計(jì)效率。事實(shí)上，現(xiàn)有的MEMSCAD工具已經(jīng)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，已在每個(gè)設(shè)計(jì)模塊上都提供了設(shè)計(jì)入口，并開發(fā)了一些接口，以方便用戶能從任一模塊開始并完成設(shè)計(jì)。此外，現(xiàn)在MEMSCAD對(duì)不同領(lǐng)域原有設(shè)計(jì)工具的借鑒和集成也越來(lái)越多，使得MEMSCAD越來(lái)越龐大。目前，一些商用設(shè)計(jì)工具幾乎集成了機(jī)械、電子、射頻、生物、流體、納米等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的工具。而實(shí)際上，很多用戶群都有自己本領(lǐng)域內(nèi)的一套相對(duì)熟悉的設(shè)計(jì)環(huán)境，隨著MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的繼續(xù)擴(kuò)大，按照這種簡(jiǎn)單集成的技術(shù)路線將所有的工具都集成在一起顯然并不現(xiàn)實(shí)。

通過(guò)以上兩點(diǎn)分析可以看出：?jiǎn)我还袒脑O(shè)計(jì)流程不利于提高M(jìn)EMS器件的設(shè)計(jì)效率；通過(guò)大量的集成第三方軟件容易造成MEMSCAD的開發(fā)和使用不便。因此，需要在流程靈活性、軟件集成方式上有所改進(jìn)，才能開發(fā)出符合當(dāng)前MEMS發(fā)展需要的工具系統(tǒng)。

2.MEMSCAD設(shè)計(jì)目前的困難及其意義

和成熟的ICCAD相比，MEMS的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜而艱難的，這主要是由于：

(1)MEMS涉及多種學(xué)科和多個(gè)能量域，因此要求具備的知識(shí)基礎(chǔ)很寬；

(2)MEMS所涉及的微觀領(lǐng)域，有許多規(guī)律與現(xiàn)象還不被人們完全了解和認(rèn)識(shí)，即基礎(chǔ)理論不充分；

(3)微機(jī)械種類很多，即使在同一類中，其結(jié)構(gòu)、功能也千差萬(wàn)別，因此很難用統(tǒng)一的模式來(lái)規(guī)范其設(shè)計(jì)。

MEMSCAD技術(shù)的意義表現(xiàn)在：

(1)優(yōu)化MEMS結(jié)構(gòu)與性能；

(2)縮短MEMS設(shè)計(jì)周期；

(3)模擬制造過(guò)程，降低生產(chǎn)成本；

(4)幫助理解一定范圍內(nèi)機(jī)械、電、磁、熱等能量之間的相互作用，為開發(fā)新的MEMS器件奠定基礎(chǔ)。

如今大多數(shù)的MEMSCAD都采用了精確的數(shù)值求解器。這種精確的數(shù)值求解器不僅耗時(shí)而且占用大量資源，尤其是不適合于系統(tǒng)級(jí)的分析。在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中必須采用與電系統(tǒng)描述和分析相類似的技術(shù)與方法。

微系統(tǒng)是集成化和微型化的極微小器件，不但體積小、功能強(qiáng)，性能和可靠性高，而且功耗和價(jià)格都是很低的。具體來(lái)說(shuō)，微系統(tǒng)包含以下幾個(gè)方面的描述：

(1)一種集成微電子器件和微機(jī)械器件的系統(tǒng)；

(2)系統(tǒng)中的微機(jī)械器件與微電子器件在尺度上有相同的量級(jí)；

(3)微機(jī)械器件與微電子器件都是用微加工技術(shù)制造出來(lái)的；9.4MEMSCAD實(shí)現(xiàn)方案

(4)系統(tǒng)中微機(jī)械器件由微電子器件測(cè)量或控制。

MEMS的產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括器件、集成電路、系統(tǒng)和封裝等幾個(gè)方面。對(duì)其開發(fā)過(guò)程的分析十分復(fù)雜，包括動(dòng)力學(xué)、電子、微流體、光學(xué)、電磁場(chǎng)等的綜合作用。與集成電路和一般機(jī)械一樣，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)模擬技術(shù)可以極大地提高M(jìn)EMS器件的性能和可靠性，同時(shí)降低開發(fā)周期和成本，并有助于理解微小范圍內(nèi)的力、電、磁、熱、機(jī)械甚至聲等能量之間的相互作用，優(yōu)化MEMS結(jié)構(gòu)，并為開發(fā)新的MEMS器件奠定基礎(chǔ)。但不同的是，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)模擬都已有了很成功的商業(yè)軟件，而MEMSCAD還處在初級(jí)發(fā)展之中。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件工具既可以做IC設(shè)計(jì)，又可以做計(jì)算模擬，如著名的SPICE、SABER、Simulink等；在機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域，MDA(MechanicalDesignAutomation)更是已經(jīng)有了許多技術(shù)相當(dāng)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和分析等一體化的大型通用軟件，如IDEAS、UGII、Pro/Engineer等。而微電子機(jī)械系統(tǒng)的性質(zhì)和MEMS的設(shè)計(jì)、制造及使用特性決定了它需要一種聯(lián)結(jié)并集成EDA與MDA這兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具。在某種程度上說(shuō)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)造型和包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的計(jì)算分析，MEMS的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件將成為溝通EDA與MDA之間的“橋梁”。

圖9.8MEMS器件的設(shè)計(jì)流程

MEMS器件的設(shè)計(jì)涉及到許多方面的問(wèn)題，相應(yīng)地，其模擬過(guò)程也有不同的層次需求，如掩膜的設(shè)計(jì)模擬、加工工藝模擬、傳感器與執(zhí)行器的器件級(jí)模擬、多能域宏模型的系統(tǒng)級(jí)模擬以及包括封裝在內(nèi)的完整系統(tǒng)的模擬。這些模擬需要不同的技術(shù)來(lái)支持，而且復(fù)雜程度也大不相同。圖9.9顯示了這些模擬過(guò)程的層次。

圖9.9MEMS器件的設(shè)計(jì)模擬層次

MEMS的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)為MEMS的設(shè)計(jì)、分析和模擬等提供一個(gè)完整的綜合軟件環(huán)境。因?yàn)橛形C(jī)械部件，需要提供三維實(shí)體造型工具；因?yàn)橛形㈦娮釉?，需要有IC設(shè)計(jì)及仿真工具；因?yàn)樯婕岸辔锢韴?chǎng)工作環(huán)境，需要有能夠?qū)α?、熱、電、流體等耦合作用的求解器；同時(shí)作為聯(lián)系掩膜、工藝和三維模型的紐帶，還需要有結(jié)構(gòu)仿真器；而且由于MEMS是一個(gè)完整的系統(tǒng)，各種軟件工具必須有穩(wěn)定可靠的接口。如為了使一個(gè)電子工程師和一個(gè)機(jī)械工程師能夠協(xié)同工作，從三維器件模型中應(yīng)能抽取用于電子系統(tǒng)模擬(如SPICE)的數(shù)據(jù)模型。即使對(duì)微傳感器或微執(zhí)行器的簡(jiǎn)單器件級(jí)的設(shè)計(jì)與虛擬仿真軟件，也不僅要有結(jié)構(gòu)的幾何輪廓參數(shù)，還要有所用材料相應(yīng)變化的電子和機(jī)械參數(shù)，即需要建立典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件包和相應(yīng)的所需材料的特性數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著建立以不同結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的模塊化的軟件及建立基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將可能是一個(gè)有效的選擇方案，從而有利于改善性能并擴(kuò)展應(yīng)用范圍。目前，從應(yīng)用的角度來(lái)看，針對(duì)MEMS器件的設(shè)計(jì)模擬方法大致可分為以下四種類型：

(1)自主開發(fā)整個(gè)MEMS器件設(shè)計(jì)制造和分析全過(guò)程的模擬系統(tǒng)。

(2)在大型有限元軟件的基礎(chǔ)上增加有關(guān)微系統(tǒng)器件設(shè)計(jì)模擬的模塊。

(3)針對(duì)特定微結(jié)構(gòu)器件的數(shù)值模擬，不涉及更多耦合場(chǎng)或封裝等內(nèi)容。

(4)將類型(3)與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境相結(jié)合，得到一種虛擬設(shè)計(jì)和模擬的效果。9.4.1類型(1)

類型(1)是一種結(jié)合已有軟件程序包進(jìn)行微系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬的方法，典型代表是Microcosm公司經(jīng)過(guò)十多年研制的MEMCAD。MEMCAD是微系統(tǒng)領(lǐng)域第一代商品化專用CAD軟件的代表，至今已發(fā)展到4.8版。這是一個(gè)集成的模塊化系統(tǒng)軟件，能夠針對(duì)微系統(tǒng)的某些功能模塊、典型器件或加工工藝在器件級(jí)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最后封裝設(shè)計(jì)和模擬。在MEMCAD中，既有可用于結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析的ABAQUS核心模塊，

又有可用于靜電場(chǎng)邊界元結(jié)構(gòu)的FASTCAP軟件包源程序，以及可用于流體分析、熱分析以及磁場(chǎng)分析等的各種成熟的軟件模塊。

MEMCAD可完成以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)模擬工作：

1)創(chuàng)建

MEMCAD的創(chuàng)建包括MEMS二維設(shè)計(jì)編輯器、MEMS材料特性庫(kù)、MEMS工藝描述庫(kù)、三維造型和網(wǎng)格工具等。

2)部件模型

部件模型包括微系統(tǒng)設(shè)計(jì)中熱、電、力、流體、光等多物理場(chǎng)的耦合求解，部件分析模擬、參數(shù)化分析、三維可視化及結(jié)果查詢等。

3)系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型結(jié)合自頂向下及自底向上兩種MEMS設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)入EDAPIC設(shè)計(jì)工具的接口、模擬信號(hào)、混合信號(hào)及MEMS元件的參數(shù)分析，具有MEMS元件模板庫(kù)和機(jī)械與混合電子模型單元的MEMS系統(tǒng)模擬。

4)封裝

MEMS封裝包括三維封裝模型及分析、三維器件封裝的耦合設(shè)計(jì)和模擬、高頻下封裝的RLC提取和分析、SPICE模型抽取及單元庫(kù)開發(fā)等。

MEMCAD提供了MEMS的設(shè)計(jì)與分析環(huán)境，包含了下列典型的功能模塊：MemHenry支持完整三維耦合的MEMS電磁感應(yīng)分析、RF分析等；MemPZR是基于三維理論模型的精確而靈活的壓阻模擬工具；MemETherm根據(jù)焦耳熱來(lái)分析MEMS器件的結(jié)構(gòu)變形，通過(guò)以電壓或電流作為邊界條件，求解基于溫度的變形；DropSim則是用于微流體方面的模塊。

雖然MEMCAD提供了強(qiáng)大的微電子機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬功能，并成為MEMSCAD領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，但是撇開昂貴的價(jià)格不說(shuō)，MEMS的CAD實(shí)際上還有許多關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題沒有解決，還不具備實(shí)用化的水平，目前基本上還只是應(yīng)用在各研究機(jī)構(gòu)中。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)級(jí)，不僅僅因?yàn)樗俏⒊叨确秶娜S復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且涉及到光學(xué)、熱學(xué)、電子、機(jī)械、流體等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，這些領(lǐng)域相互作用、相互影響，每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的參數(shù)都需要進(jìn)行精確的計(jì)算，并進(jìn)行各能量領(lǐng)域的耦合分析計(jì)算，以便能正確模擬所設(shè)計(jì)的微系統(tǒng)器件的性能。而在微尺度范圍內(nèi)還存在許多與宏觀條件下不同的現(xiàn)象或機(jī)理，這些機(jī)理至今還沒有能夠完全認(rèn)識(shí)清楚，同時(shí)還必須考慮不同的材料特性導(dǎo)致的差異。因此，在現(xiàn)階段更多的研究小組或單位都把精力主要放在開發(fā)MEMS微傳感器或微執(zhí)行器的器件級(jí)的設(shè)計(jì)與虛擬仿真上，僅針對(duì)兩至三個(gè)能量域進(jìn)行分析計(jì)算，而不是面向整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和模擬過(guò)程。9.4.2類型(2)

通過(guò)有限元分析(FEA)技術(shù)來(lái)解決微系統(tǒng)的應(yīng)力、形變、溫度分布、電磁場(chǎng)干擾及電學(xué)性能等諸多問(wèn)題是最經(jīng)常采用的研究方法。近幾年功能比較強(qiáng)大的一些有限元軟件，基本上都增加了有關(guān)微系統(tǒng)器件設(shè)計(jì)模擬的模塊，其中比較有效的是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的ANSYS軟件。

類型(2)取決于有限元軟件提供的功能，而通用軟件的特點(diǎn)決定了這種方法對(duì)特殊微結(jié)構(gòu)器件的多能量域耦合是不一定適用的。9.4.3類型(3)

類型(3)是一種針對(duì)特定微結(jié)構(gòu)器件的數(shù)值模擬，這種方法需要將微機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)及材料特性作為輸入值，然后分別求解兩種甚至更多種的能量域場(chǎng)問(wèn)題，再把不同能量域耦合起來(lái)；一般是利用解析的方法分析計(jì)算其靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性，最后輸出其工作過(guò)程的靜P動(dòng)力性能曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。應(yīng)用這種方法的文獻(xiàn)非常多，如N.R.Aluru和J.White對(duì)MEMS設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的靜電力致動(dòng)作用原理的微機(jī)械進(jìn)行了力電耦合分析，強(qiáng)調(diào)耦合作用下的三維力電分析的實(shí)用性、有效性和強(qiáng)健性，并且分別具體討論了靜電場(chǎng)中的表面電荷分布密度與靜電力的計(jì)算方法，由靜電力引起的梁結(jié)構(gòu)變形后的靜彈性回復(fù)力的計(jì)算以及兩種場(chǎng)能下的耦合計(jì)算過(guò)程，提出了求解能量場(chǎng)問(wèn)題的松弛法與加速松弛法，并通過(guò)與基體平行并相連的二維梁的加壓情況，給出了具體的計(jì)算步驟和不同算法的計(jì)算結(jié)果。圖9.10是加電壓后梁與基體表面電荷的分布及梁結(jié)構(gòu)變形的示意圖。

圖9.10加電壓后梁與基體表面電荷的分布及梁結(jié)構(gòu)變形示意圖很顯然，該方法需要建立特定結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，而且不同的微結(jié)構(gòu)器件其數(shù)學(xué)模型也不相同。而對(duì)于很多微機(jī)械器件來(lái)說(shuō)，建立能正確反映微尺度效應(yīng)或表面效應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型并不是一件很容易的事。雖然該方法只是適用于某一類型的結(jié)構(gòu)器件，但具有相當(dāng)大的實(shí)用性，可完成通用程序或大型有限元軟件無(wú)法解決的特殊問(wèn)題。9.4.4類型(4)

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中結(jié)合微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和模擬，可以更加直觀地展現(xiàn)微機(jī)械器件的運(yùn)行狀態(tài)與性能。虛擬環(huán)境中三維器件的幾何參數(shù)或其他參數(shù)可以任意調(diào)整，甚至可以通過(guò)特定的虛擬設(shè)備操縱或干涉其運(yùn)行狀態(tài)。這種方法的特點(diǎn)是既反映性能特性曲線，以利優(yōu)化，又顯示直觀的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件變形過(guò)程，以利理解，并可以像操作真實(shí)物體那樣在虛擬環(huán)境中控制器件的各種參數(shù)或各部件之間的相互關(guān)系，如部件裝配等。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所開發(fā)的MEMS器件虛擬設(shè)計(jì)與模擬程序包括以下幾個(gè)方面的系統(tǒng)或應(yīng)用軟件與編程工具：

(1)Win95/Win98/WinNT；

(2)3DCADsystem；

(3)WorldToolKitVirtualenvironment；

(4)Micro/Nanomaterialdatabase；

(5)VisualC＋＋；

(6)FEMtools。在所采用的構(gòu)建軟件系統(tǒng)中，WorldToolKit(WTK)處于虛擬設(shè)計(jì)的核心位置。事實(shí)上，WTK是用來(lái)虛擬創(chuàng)建高性能實(shí)時(shí)的、集成3D應(yīng)用的跨平臺(tái)軟件開發(fā)系統(tǒng)，是美國(guó)EngineeringAnimationInc.的Sense8產(chǎn)品線中的主導(dǎo)軟件，現(xiàn)已發(fā)展到9.0版。

WTK軟件包是運(yùn)行在Windows或Win95PNT平臺(tái)上的