基于IP库的MEMS设计——设计方法和器件研制

摘要

微电子机械系统(MEMS)是多种学科和领域交叉融合的技术。随着加工工艺技术和计算机技术的发展，计算机辅助设计和虚拟现实被引入到了MEMS设计中，促进了MEMS的发展。本文针对MEMS设计系统中机械性能仿真不足、设计与加工脱节、缺少工艺验证等问题，借鉴了IC设计可重用思想，引入了具有知识产权的功能模块——IP的概念，提出了基于IP库的MEMS设计方法。该方法是Top-Down和Bottom-Up设计相结合的方法，其核心是MEMS IP库，关键技术包括IP库、虚拟工艺、虚拟运行等。本文的主要工作包括以下几个方面： 建立了基于IP库的MEMS设计系统，该系统主要有三部分组成：MEMS IP库，虚拟工艺(工艺级仿真系统)和虚拟运行(MEMS器件行为级仿真系统)。MEMS设计的IP描述了MEMS器件的行为级特性和其他加工信息等，IP库的概念充分体现了MEMS设计的可重用性。首先，虚拟运行体现了基于Top-Down的设计方法，首先从IP库中选取组成器件的单元(也称为IP)，通过虚拟组装综合在一起，建立动态运行规律，进行动态性能仿真，并最终生成器件的版图和工序。其次，在Bottom-Up设计中，设计者从虚拟工艺出发，输入版图和工序从而生成器件的三维实体，完成工艺级别的仿真，最后提交到虚拟运行中进行动态性能的仿真和评测。 通过对DRIE(高深宽比硅刻蚀)工艺技术以及线-单元混合模拟算法的研究，建立了基于缓冲区结构的DROPIE-2D工艺仿真系统，其中主要包括了缓冲区算法、Hash映射、积分分段算法、对称算法、刻蚀优化算法五个模块，同时通过参数优化算法增强了LAG效应的模拟效率；最后，建立了DROPIE-3D工艺模拟框架，为虚拟工艺的Bottom-Up设计提供了基于物理模型仿真的基础。 建立了虚拟运行的实现框架。虚拟运行的功能是建立每个元件(IP)的动态运动规律之上，利用虚拟现实技术，完成所设计器件在虚拟环境中的运动演示。虚拟运行主要由三部分组成：MEMS运动规律模型库，动态运动规律和三维可视化。同时，针对虚拟运行中运动规律的联立、求解和实时仿真等问题，提出并建立了运动规律求解器的概念和框架。 最后，以电容式微加速度计设计为例，对双梁、四梁、疏齿等6种不同的结构分别进行了设计仿真、流水加工、封装和测试的过程，完成了器件从设计到成品的整个流程，验证了本文提出的设计方法和设计系统的有效性和正确性。

目录

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第1章绪论

1.1微电子机械系统概述(MEMS)

1.1.1什么是MEMS

1.1.2 MEMS的发展历史

1.1.3 MEMS的加工技术

1.1.4 MEMS的应用

1.2计算机辅助MEMS设计技术

1.2.1 CAD技术与MEMS CAD

1.2.2计算机辅助MEMS设计方法

1.3国内外MEMS CAD的研究现状

1.4本文的主要内容

1.4.1目前计算机辅助MEMS设计存在的问题

1.4.2主要内容

第2章基于IP库的MEMS设计系统

2.1 MEMS设计方法

2.2 MEMS设计可重用性

2.2.1 IC设计中重用IP的概念及思想

2.2.2 MEMS设计中的可重用IP库

2.3基于IP库的MEMS设计系统

2.3.1系统的总体框架

2.3.2 MEMSIP及IP库

2.3.3虚拟工艺——可视化工艺级仿真

2.3.4虚拟运行——可视化行为级仿真

2.4基于IP库的MEMS设计系统建模

2.4.1 IP库建模

2.4.2系统功能建模

2.4.3系统形式化的表达

2.4.4形式化描述的实例

2.5小结

第3章MEMS设计中的工艺仿真

3.1引言

3.2高深宽比硅刻蚀工艺仿真

3.2.1高深宽比硅刻蚀加工技术

3.2.2线-单元混合模拟算法

3.2.3现有算法存在的问题和不足

3.3基于缓冲区结构的DROPIE-2D工艺仿真

3.3.1基于缓冲区结构的DROPIE-2D工艺仿真

3.3.2 DRIE中LAG效应模拟

3.4 DROPIE三维仿真框架

3.4.1系统结构

3.4.2点面推进算法

3.4.3模拟结果

第4章MEMS器件的虚拟运行

4.1引言

4.2 MEMS虚拟运行的实现框架

4.2.1虚拟运行框架设计

4.2.2运动规律模型库

4.2.3动态运行规律

4.2.4三维可视化及实时技术

4.2.5虚拟运行原形系统的实现

4.3运动规律求解器的设计与实现

4.3.1动态模型

4.3.2运动规律求解器

4.3.3运动规律的描述

4.3.4问题自动求解算法

4.3.5求解器的编译优化

4.3.6运动规律求解器的实现

4.4虚拟运行的系统实现

4.4.1系统实现

4.4.2显示子模块

4.5.3网格划分子模块

4.5.4动态模型建立子模块

4.5.5动态运行子模块

4.5.5微泵的设计实例

第5章MEMS设计实例——电容式微加速度计

5.1引言

5.2三明治电容式微加速度计原理

5.3结构和版图设计

5.4器件仿真

5.4.1虚拟工艺

5.4.2动态模型

5.4.3虚拟组装

5.4.4虚拟运行

5.5工艺加工结果

5.6封装及电路测试结果

第6章结论与展望

参考文献

附录

致 谢

个人简历