振动式MEMS与接口电路的系统级协同设计方法与关键技术
发布时间：2022-01-02 07:27
与主要关注器件电学特性的IC（Integrated Circuit）设计不同,MEMS（Micro Electro Mechanical System）的设计具有多学科交叉、多能量域耦合的特点。因此,MEMS器件与其接口电路的协同设计在流程、效率等方面一直面对着巨大的挑战。如何通过系统级方法实现MEMS的高效快速仿真成为MEMS设计中的一个重要研究方向。MEMS器件与接口电路的协同设计在平台一致性、流程优化、参数迭代、高速仿真等方面具有非常高的要求。本文基于多端口组件网络（Multi Port Element Networks,MuPEN）系统级建摸与仿真方法,提出了一种MEMS器件与接口电路的系统级协同设计方法与流程。以经典的振动式MEMS为对象,深入研究了其关键技术和实现过程。论文主要工作和创新点如下:1.针对挠曲振动MEMS器件的主要功能结构等截面矩形梁,研究了梁形变的形函数,总结了梁类组件系统级行为模型建模理论。以非线性梁、侧向梁电极和磁致动梁为例,介绍了梁类组件的建模过程。推导了组件的系统级解析数学模型,利用MuPEN方法建立了对应的系统级多端口参数化组件,同时对新建组件进行...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MEMS分层设计体系[4]
图 1.2 Coventor MP 软件架构图[9]西北工业大学是国内最早开展 MEMS 集成设计工具研发工作的单位之一。在国家“863”计划的支持下先后提出了支持任意流程的MEMS集成设计方法、可创成的MEMS集成设计方法和泛结构化 MEMS 集成设计方法，并对 Stephen D Senturia 教授提出的分层设计体系进行了优化，认为 MEMS 设计可分为系统级、器件级（原物理级）、工艺级三个层级，而原器件级设计仅作为有限元分析到系统级行为仿真的一个接口。在此基础上，基于国产平台构建了泛结构化 MEMS 集成设计工具 MEMS Garden，以满足具有不同工程、学术背景的设计人员对多样化 MEMS 的设计需求[10]。MEMS Garden 支持设计者从任意层级开始 MEMS 器件的设计工作，通过各层级的接口实现设计数据的无缝衔接，并完成全部层级及全流程的设计（图 1.3）。同时 MEMS Garden 支持创新 MEMS 器件的设计，可实现对新能量域，新式器件的创新设计。IntelliSuite[11]是 IntelliSense 公司推出的世界上第一款 MEMS 集成设计工具。Intellisuite 不但具有传统 MEMS 设计工具行为仿真、物理仿真、版图绘制等功能，其还拥有丰富的 MEMS 材料数据库以及单步加工工艺的模拟功能，这是其他集成设计工具所不具备的。
MEMS 设计工具向着集成化、任意流程设计、创新设计、与接口电路协同设计的方向发展，最终目的是在统一的平台环境下实现所有 MEMS 的设计。但从实际情况来看，MEMS 集成设计工具的推广应用却阻力重重。在 MEMS 设计上，目前仍然是设计人员根据习惯偏好以及器件的特点选择不同的设计工具。这既不利于设计效率的提高，也不利于器件的优化设计，更不利于同一类型 MEMS 器件设计流程的建立和优化。参照MEMS 本身的固有属性，需要在现有集成设计工具基础上针对不同类别的 MEMS 器件研究相应的建模、仿真、设计方法，有针对性地解决设计问题。另外，从英文名称可以看出，典型的 MEMS 包含了器件结构和接口电路。器件结构由梁、膜片、梳齿、质量块等构成，一般称为 MEMS 器件；除器件结构以外的电路模块，如电源、信号处理电路、控制电路等，统称为接口电路。因此 MEMS 的设计也就可以分为 MEMS 器件设计与接口电路设计。MEMS 器件与接口电路共同构成完整的MEMS 系统，MEMS 器件向接口电路提供信号，接口电路则除了输出传感信号外也同时对 MEMS 器件进行反馈和控制，因此两者之间是相互影响且紧密结合的，并共同决定着 MEMS 系统的性能。然而当前两者的设计却是分离开来的，这种分离的设计无法直接实现整个系统的性能设计与评估，也难以进行两者之间的迭代优化，设计效率自然
【参考文献】：
期刊论文
[1]微机械谐振式加速度计的研究现状及发展趋势[J]. 高杨,雷强,赵俊武,吕军光. 强激光与粒子束. 2017(08)
[2]用于Lamé模态方块谐振器的压控电流源模型[J]. 梁冰,宋亚梅,鲍景富,李昕熠. 微纳电子技术. 2015(12)
[3]微流控的系统级设计[J]. 苑伟政,焦文龙,常洪龙. 光学精密工程. 2013(12)
[4]新型大尺寸电磁驱动MEMS光学扫描镜的研制[J]. 穆参军,张飞岭,吴亚明. 半导体学报. 2008(03)
[5]谐振式MEMS磁强计原理与研究进展[J]. 任大海,阎梅芝,尤政. 传感器与微系统. 2007(11)
[6]平板式可变电容器宏建模及其在MEMS设计中的应用实例[J]. 何洋,霍鹏飞,马炳和,苑伟政,姜澄宇. 机械科学与技术. 2005(06)
[7]基于组件网络方法的微加速度计建模与仿真[J]. 霍鹏飞,马炳和,苑伟政. 航空学报. 2003(05)
[8]模拟硬件描述语言[J]. 肖立伊,叶以正. 微电子学. 1997(04)
博士论文
[1]李萨茹扫描式微型激光投影显示技术研究[D]. 刘耀波.西北工业大学 2014
硕士论文
[1]基于氮化铝的压电谐振式MEMS加度计研究[D]. 王一翔.浙江大学 2017
[2]微机电系统级建模与仿真研究[D]. 王晨华.南京航空航天大学 2005
本文编号：3563749
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MEMS分层设计体系[4]
图 1.2 Coventor MP 软件架构图[9]西北工业大学是国内最早开展 MEMS 集成设计工具研发工作的单位之一。在国家“863”计划的支持下先后提出了支持任意流程的MEMS集成设计方法、可创成的MEMS集成设计方法和泛结构化 MEMS 集成设计方法，并对 Stephen D Senturia 教授提出的分层设计体系进行了优化，认为 MEMS 设计可分为系统级、器件级（原物理级）、工艺级三个层级，而原器件级设计仅作为有限元分析到系统级行为仿真的一个接口。在此基础上，基于国产平台构建了泛结构化 MEMS 集成设计工具 MEMS Garden，以满足具有不同工程、学术背景的设计人员对多样化 MEMS 的设计需求[10]。MEMS Garden 支持设计者从任意层级开始 MEMS 器件的设计工作，通过各层级的接口实现设计数据的无缝衔接，并完成全部层级及全流程的设计（图 1.3）。同时 MEMS Garden 支持创新 MEMS 器件的设计，可实现对新能量域，新式器件的创新设计。IntelliSuite[11]是 IntelliSense 公司推出的世界上第一款 MEMS 集成设计工具。Intellisuite 不但具有传统 MEMS 设计工具行为仿真、物理仿真、版图绘制等功能，其还拥有丰富的 MEMS 材料数据库以及单步加工工艺的模拟功能，这是其他集成设计工具所不具备的。
MEMS 设计工具向着集成化、任意流程设计、创新设计、与接口电路协同设计的方向发展，最终目的是在统一的平台环境下实现所有 MEMS 的设计。但从实际情况来看，MEMS 集成设计工具的推广应用却阻力重重。在 MEMS 设计上，目前仍然是设计人员根据习惯偏好以及器件的特点选择不同的设计工具。这既不利于设计效率的提高，也不利于器件的优化设计，更不利于同一类型 MEMS 器件设计流程的建立和优化。参照MEMS 本身的固有属性，需要在现有集成设计工具基础上针对不同类别的 MEMS 器件研究相应的建模、仿真、设计方法，有针对性地解决设计问题。另外，从英文名称可以看出，典型的 MEMS 包含了器件结构和接口电路。器件结构由梁、膜片、梳齿、质量块等构成，一般称为 MEMS 器件；除器件结构以外的电路模块，如电源、信号处理电路、控制电路等，统称为接口电路。因此 MEMS 的设计也就可以分为 MEMS 器件设计与接口电路设计。MEMS 器件与接口电路共同构成完整的MEMS 系统，MEMS 器件向接口电路提供信号，接口电路则除了输出传感信号外也同时对 MEMS 器件进行反馈和控制，因此两者之间是相互影响且紧密结合的，并共同决定着 MEMS 系统的性能。然而当前两者的设计却是分离开来的，这种分离的设计无法直接实现整个系统的性能设计与评估，也难以进行两者之间的迭代优化，设计效率自然
【参考文献】：
期刊论文
[1]微机械谐振式加速度计的研究现状及发展趋势[J]. 高杨,雷强,赵俊武,吕军光. 强激光与粒子束. 2017(08)
[2]用于Lamé模态方块谐振器的压控电流源模型[J]. 梁冰,宋亚梅,鲍景富,李昕熠. 微纳电子技术. 2015(12)
[3]微流控的系统级设计[J]. 苑伟政,焦文龙,常洪龙. 光学精密工程. 2013(12)
[4]新型大尺寸电磁驱动MEMS光学扫描镜的研制[J]. 穆参军,张飞岭,吴亚明. 半导体学报. 2008(03)
[5]谐振式MEMS磁强计原理与研究进展[J]. 任大海,阎梅芝,尤政. 传感器与微系统. 2007(11)
[6]平板式可变电容器宏建模及其在MEMS设计中的应用实例[J]. 何洋,霍鹏飞,马炳和,苑伟政,姜澄宇. 机械科学与技术. 2005(06)
[7]基于组件网络方法的微加速度计建模与仿真[J]. 霍鹏飞,马炳和,苑伟政. 航空学报. 2003(05)
[8]模拟硬件描述语言[J]. 肖立伊,叶以正. 微电子学. 1997(04)
博士论文
[1]李萨茹扫描式微型激光投影显示技术研究[D]. 刘耀波.西北工业大学 2014
硕士论文
[1]基于氮化铝的压电谐振式MEMS加度计研究[D]. 王一翔.浙江大学 2017
[2]微机电系统级建模与仿真研究[D]. 王晨华.南京航空航天大学 2005
本文编号：3563749
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