基于结构组件库的MEMS概念设计方法

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)是一个迅速发展的新兴技术领域,广阔的市场需求急迫需要对MEMS方案进行创新。原理方案通常形成于概念设计阶段,在整个设计过程中该阶段的创新空间最大,对全局影响也最大。因此,以产品方案创新为主要目标的MEMS概念设计方法有重要研究意义。目前,专门针对MEMS概念设计开展的研究还很少,不符合MEMS快速、差异性的发展趋势,不适应MEMS企业对于产品创新的急迫需求。至今,比较系统完整、可供实用的MEMS概念设计方法尚未出现,仅仅有一些围绕MEMS概念设计开展的探索研究,如表1所示。

　　文献[1-2]以已有器件整体方案为参考样例,然后用户凭经验进行方案的修订和优化,其方案设计的创新能力和效率难以保证。文献[3]需要设计者首先对目标需求自主进行功能分解,但是在器件具体方案确定之前设计者很难对器件进行功能分解。文献[4]只给了一种推导规则,也是靠设计者经验完成行为匹配,没有单元库支持,设计效率很低。总而言之,上述研究仅仅是MEMS概念设计的一些初步探索,都很不完善。

　　MEMS起源于微电子加工技术,但是至今MEMS设计与微电子设计(EDA)相比有很大差距,尤其是在设计自动化、创新支持能力、设计工具化等方面。为了提高MEMS概念设计的工具化程度,提高MEMS概念设计效率及其产品创新能力,结合MEMS的结构典型性特点,本文建立了一种比较规范的基于典型结构组件库的MEMS概念设计方法。

　　1　基于结构组件库的MEMS概念设计原理

　　MEMS器件、部件、组成元件可看成三类属性的集合体:功能、工作原理(行为表达)、结构。其中任意两者之间均表现为一对多的关系。例如,相同测量功能的微加速度计可能有多种工作原理和结构方案,包括压阻式、热敏式、隧道电流式等不同检测原理及器件结构,因此设计时可借鉴压阻式压力传感器、热敏式剪应力传感器等已有方案。鉴于MEMS结构典型性,对已有MEMS器件方案从功能结构角度进行分解归类获得系列典型结构组件,成为可供概念设计使用的参考组件库,从而提高效率。图1所示为梳齿电容结构组件,包含结构、行为、功能等信息。

　　基于结构组件库的MEMS概念设计流程如图2所示。概念设计时,依据器件的输入或输出物理量及相关行为在结构组件库中进行匹配查找,可自动检索出多个相关组件链,再对这些组件链进行功能结构细化,可以高效地获得备选的原理方案。

　　建立在组件库基础上的概念设计效率会大大提高,按行为匹配自动提取组件链也有利于提高设计效率、有利于实现设计工具化。同时,自动化行为匹配及其后的人工功能结构细化等也有助于最大程度地获得新型方案。