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1、MEMS器件的计算机辅助设计方法和仿真研究【摘要】MEMS技术的进一步发展依赖于MEMS器件计算机辅助设计的发展和水平的提高。系统级仿真和多能量场耦合是MEMS器件计算机辅助设计的核心环节。提出了一种MEMS器件设计的参考方法，并对系统级仿真这一难点做了深入阐述。关键词MEMS CAD 系统级仿真 多能量场耦合1引言MEMS作为一个新兴的强大的科学领域，虽然近年来取得了飞速的发展，但是相应的设计方法的发展却没有跟上时代的脚步。尽管MEMS技术有微电子技术作支撑，而且通常使用IC平面制造技术，但它必须进行微机械所特有的三维加工，而且要求与集成电路工艺兼容，要完全解决好这一问题有一定的难度。此外，
2、MEMS器件及系统的设计加工与传统的设计加工不同。传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法。MEMS系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。因此要采用新观念，站在系统高度来设计加工。鉴于此，建立一套专门的适用的计算机辅助设计、分析和仿真的方法势在必行。MEMS器件设计软件的发展始于2O世纪8O年代，许多商业机构和大学认识到MEMS CAD软件的重要性，纷纷投入大量的人力物力进行这方面的研究工作。目前已经开发一些商用MEMS软件，这些系统对促进MEMS的研究进展使之从实验室走向工
3、业化起了很大的作用。表1：主要几个典型的MEMS CAD软件软件名称开发单位特点CoventorWareCoventor公司功能最强、规模最大的MEMS专用软件，拥有几十个专业模块，功能包含MEMS器件设计、工艺和仿真。MEMCADMIT和 Microcosm公司功能比较齐全，可对设计制造全过程仿真。还有一个流体分析模块，可对微泵，微阀进行分析。IntelliCADIntelliSense公司主要进行机_电_热的分析，在工艺仿真方面有大的灵活性，一个流体分析模块正在测试中。SOLIDISSwiss Federal Institute of Technology较灵活的网络划分，善于进行热变形和
4、热致动的分析。2 MEMS器件计算机辅助设计21MEMS器件计算机辅助设计方法的特点和传统机电计算机辅助设计和微电子计算机辅助设计相比，由于MEMS 器件的结构和制造工艺特点，使得MEMS器件的计算机辅助设计具有与传统计算机辅助设计不同的特点。尺寸的缩小引起工作机理和材料性质的变化。结构尺寸的缩小使得力的作用效应和材料的性质都发生了变化。在微小尺度下，一些在常规机械中很少考虑的力，例如静电力、表面张力等的作用明显增强。另外，由于尺寸的缩小，晶体内部的缺陷检索，材料的强度增加，并且表现出一些在常规尺度下不显著的性质和特征，并对MEMS器件的计算机辅助设计产生一定的影响。加工方法的变化。在目前ME
5、MS器件的研制中，大量使用光刻腐蚀、离子加工、离子注入等微电子加工技术。此外，电解、激光加工、精密机械加工等技术也被采用。微电子计算机辅助设计系统基本注重二维几何形状的设计和加工，对被加工材料的操作基本上只涉及表面以下很浅的范围。而在MEMS中所要设计和加工的对象是尺寸微小的三维机械部件。同时MEMS器件计算机辅助设计需要有对三维机械结构的模拟手段和对各种机械性能及可靠性方面的检测功能。MEMS器件的分析与设计是多场耦合问题。由于微机电系统应用的多样化，在其工作原理上必然要涉及到微流体学、微热力学、化学、生物学等学科，这些学科之间的耦合问题也需要得到计算机辅助设计的支持。所以，必须建立一套专门
6、的设计、分析、仿真方法。其中，器件的耦合场分析和系统级仿真在整个过程中将起决定性作用。2.2MEMS器件计算机辅助设计的设计原则由于MEMS与传统机械和微电子系统在设计、加工上存在很大的差别，因此，MEMS器件的计算机辅助设计的研究必须要遵循以下的一些原则:MEMS技术的特点是多种学科相互交叉，涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、生物学等。这些作用域相互作用，共同组成完整的系统，实现一定的物理功能。多能量域的耦合问题是计算机辅助设计系统所面临的最大挑战。与基于平面工艺的IC工艺不同的是，MEMS的制造的目的是为了得到三维的几何结构。但是，一般的IC CAD不提
7、供自动生成三维模型的工具。因此，作为联系掩膜、工艺和三维模型的桥梁，结构仿真器是MEMS CAD所必须的。MEMS的制造过程不仅会改变结构的几何轮廓，还改变材料的性质。材料性质的改变，将会影响结构的电子和机械特性。因此，一个完整的计算机辅助设计系统必须建立相应的材料特性数据库，并且可根据工艺流程自动地将材料特性插入三维几何模型中。采用快速有效的算法。MEMS器件在几何上是复杂的三维结构，在物理上各种能量域相互耦合。计算中不仅要进行结构内部的量化分析，还要进行结构外部的各种场的分析如电场、流场等)。这些分析的计算量极大，不仅耗时长，而且要求有较大的内存。因此，快速有效的算法是设计实用的计算机辅助
8、设计系统的基础。2.3MEMS器件计算机辅助设计的方法MEMS系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法,图1显示了MEMS器件的设计过程。从图1中可看出MEMS器件的设计模拟过程是:通过掩膜版图设计及工艺设计，由结构仿真器生成三维几何模型;从材料数据库中提取元件的材料特性，将其插入几何模型中，生成完整的几何模型;划分网格进行分析和模拟，接着进行优化，完成设计。各步骤的主要功能如下所述:工艺设计是利用MEMS加工技术，定制合理的工艺流程，同时形成加工设计完成的MEMS器件的工艺信息文档，便于MEMS器
9、件的加工。MEMS 器件计算机辅助设计方法中，要生成设计器件的三维实体，首先必须定制器件的加工工艺。目前加工MEMS器件的工艺主要有：精密机械加工技术、硅微机械加工技术、LIGA工艺等。掩膜版图设计是将逻辑设计转换成物理几何表示的一个过程，它包括版图布局规划、布置布线以及版图后处理与版图数据输出几个主要阶段。版图设计的实现有很多种，基于标准单元的设计方法因高效且可靠的特点成为目前业界最流行的模式。在MEMS器件的设计中掩膜版图设计可以简单的理解为设计器件在平面上或XY平面上的结构和布局。结构仿真器的作用是，首先把MEMS器件结构从外围接口电路中隔离出来，根据工艺设计和掩膜版图设计来生成三维实体
10、模型。这类似于实际的生产过程，每一个工步，从材料特性数据库中读取相应数据，依此计算各工步的效果，并对模型的结构进行修改。在进行过程中，记录材料特性，工艺条件和几何现状，以备随后分析使用，最终的结构就是这一系列变化的结果。以后的所有分析都基于由结构仿真器生成的该实体模型。材料特性数据库。相对设计传统机械设计工程师，MEMS的设计人员不仅没有足够的设计手册，甚至缺少MEMS设计中所特有的、与耦合特性有关的材料常数。这使设计人员难以精确地设计结构的尺寸。由于MEMS器件的尺寸较小，给这些特性的测量来了一定困难。因此，一般设计专门结构进行测量。这方面，己经初步建立了一些MEMS材料的数据，例如COVE
11、NTORWARE的MPD等。MEMS器件的模拟和优化。生成器件的三维实体模型后，对器件进行网格划分，就可利用BEM/EFMS器件进行模拟。这其中由于MEFM/VM方法对MEMS器件包括热、流体、电磁、机械等相互作用，使MEMS的仿真与建模越来越复杂，在MEMS 设计中遇到的最大的挑战是多能量域的耦合分析。在进行仿真时，不仅要针对各个域的特点，寻找相应的算法，还要解决不同域的耦合问题。在分析完成后，可以对设计的器件进行优化，进一步提高器件的质量。最后可以提取器件的宏模型用于系统级的仿真。3 提取宏模型实现系统级仿真随着MEMS器件集成度的提高, 如何对其整体行为(即系统级行为) 进行快速建模与仿
12、真成为目前MEMS计算机辅助设计的重要内容。3.1多能量域分析在MEMS设计中遇到的最大的挑战是多能量域的耦合分析在进行仿真时，不仅要针对各个域的特点寻找相应的算法，还要解决不同域的耦合问题。目前，一些耦合场计算方法已经被引入工程分析软件中，如ANSYS、CFD等，用于MEMS器件耦合场分析，但采取的具体措施不尽相同。目前，常用方法有： 有限元方法(FEM )进行线性、非线性固体、壳、板及6自由度梁的应力、变形场分析也可用于时域、模态的模拟。边界元方法(BEM )用带自适应网格划分功能BEM进行静电场分析。有限体积方法(FVM )进行稳(暂)态流动、热传导、多相流、生物、化学作用等的模拟分析，
13、也可进行电、磁的静态分析或动态分析。或综合运用各种方法，针对不同的域采用相应的模块进行分析，各模块之间通过边界条件或其它耦合条件联系起来，迭代求解。3.2建立宏模型实现系统级仿真对于MEMS器件辅助设计来讲，在任何一个独立的能量域自然可以采用FEM、BEM、FVM等数值算法来优化模型，然后通过适当的迭代贯穿始终地求解耦合域问题来获得系统性能，此方法精度较高，但是计算量巨大，极为耗时。实际设计中设计者可能并不刻意追求系统局部的特征，相反却非常重视系统的总体性能、输入输出特性，因此完全可以建立一种对耦合场进行简化、降低其自由度的宏观模型(Macro-Model)。如何建立宏模型，目前没有统一的方法
14、，常见的有三种：节点分析法、黑箱分析模型和VHDLAMS VHDL。1）、节点分析法（NODAS）将系统看成是由多个同一能量域或不同能量域的基本单元组成的，每个单元为一个节点，相当于电路中基本元件如电阻、电容等，运用AHDL语言将上述节点与真实电路连接在一起形成网络，建立系统的微分方程运用 SABER或SPICE进行系统仿真。NODAS方法主要针对微致动器、传感器而研究开发的，采用集中参数描述，对于复杂微机电系统难以胜任。2）、黑箱分析模型。对MEMS耦合场进行不同的能量域分析，选择少数几个参数来描述系统的能量，大大降低系统的自由度，不计较系统的局部结构及特性，这样，系统的耦合场被转化建立黑箱
15、模型。步骤如下：降低系统的自由度数。构造系统的宏观解析模型。将系统的动力学方程变换为AHDI，作为一个黑箱插入模拟电路仿真器中。只要合理的构造变形状态的完备集、系统的能量表达式，可以获得很高的计算精度但模型中无法考虑系统的局部特征，不能显式地表示各元件的结构尺寸对系统性能的影响，不便于设计，且计算量很大。3）、VHDLAMS是根据能量守恒定律,建立起一组表征MEMS器件动态特性的常微分方程和代数方程后对其描述。它通过描述很多的MEMS的基本器件，形成相应的库单元，利用现有的系统级仿真软件saber和电路一起进行模拟和仿真。若器件的边界条件改变，可以很快地通过修改相应器件的VHDLAMS源代码并
16、进行仿真。但是VHDLAMS只能对常微分和代数方程进行建模，对于描述有些MEMS动态特性的偏微分方程却无能为力。目前，MEMS CAD在计算速度，建模和应用范围方面还存在着缺陷。随着对MEMS的需求不断增长，市场竞争日益激烈，对MEMS CAD的需求也将越来越迫切，将会更多的组织加入到这一领域的研究中来。参 考 文 献1Romanowiee，BFMethodology for the Modeling and Simulation of MicrosystemsMKluwer Academic Publishers，19982Bullinger H J，Richter M，Seidel K AVirtual assembly planingHuman
