MEMS系统级仿真建模理论与方法的研究

　　微机电系统(MEMS)是一个迅速发展的多学科技术交叉的领域,利用半导体加工方法来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件;MEMS常常同微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算、控制及执行等功能.MEMS以其独特的优点已经引起各国政府、高等学校、研究机构乃至商业企业的极大关注.尽管期望到2000年微器件的年市场额可达到1000～1400万美元,但该市场仍然由少数器件占有,不能形成规模.美国、日本、欧洲等国家的学者已经认识到,MEMS成功地占领市场在很大程度上取决于如何有效地运用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)及计算机辅助制造(CAF)方法.计算机的引入使得设计、运行性能分析的高速化、自动化和可视化、加工工艺的参数化控制,缩短设计、制作周期,提高制作过程的可重复性.从而大大提高MEMS器件的性能—价格比.

　　系统级仿真是MEMS CAD最为关键的重要环节.MEMS是一个迅速发展的多学科技术交叉的领域,涉及力学、机械、电子、光学、流体、电磁及化学、生物等多个技术领域与学科.系统级仿真是MEMS分析与设计的独特要求,也是MEMS CAD要实现的目标.MEMS既不同于IC,又不同于宏观机械,强调在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体的思想,另一方面,MEMS更强调系统整体的输出特性,对于传感器、致动器,这一点尤为重要.因此,必须将场分析、电路分析结合起来,建立系统方程,统一求解.当前,这一问题在国际上倍受关注,是MEMS仿真研究领域的热点之一.本文概括性地综述了MEMS CAD的体系结构、MEMS系统级仿真方法的研究进展.提出用加权残值法(MWR)建立MEMS系统级仿真模型;论述MEMS系统级仿真的MWR建模原理与方法.提出运用演化算法进行自动化、智能化建模的基本思想.

　　1　MEMS CAD的体系结构

　　MEMS由于其尺寸的减小,与工作环境具有很强的相互作用,特别是传感器件,就是利用与环境的相互作用来实现其功能的,从而造成MEMS的多维性、多学科性及多尺度性.开发这样的CAD系统更加困难.Petersen[1]早就认识到了开发MEMS CAD系统的重要性,十几年前,MIT研究小组[2]初步设计了MEMS CAD,后经多年的发展,并形成了商业性软件.但目前MEMS CAD仍然存在许多问题,吸引了许多大学、商业软件开发商如ANSYS、CFD等机构的参与.DAPAR[3]还专门立项,投资1 700万美元用于研究开发复合MEMS CAD系统(Composite CAD).典型的MEMS CAD体系结构如图1所示.

　　2　MEMS的系统级仿真

　　建立考虑多场耦合、电路等一体的系统级模型相当困难.直接基于场分析方法对系统进行大规模数值计算,虽然精度较高,但计算费用相当大,同时也不利于MEMS设计、制造人员的接受和使用.人们更倾向于在不显著降低精度的前提下,对耦合场进行简化,大大减少系统的自由度数,建立系统的宏观模型(Macro-Model)或称为缩聚模型(Compact Model).这种简化处理方案对于MEMS是完全可行的,因为MEMS的分析与设计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.如何建立较为合理的缩聚模型,当前在国际上倍受关注,也是MEMS仿真研究领域的热点之一.Fedder[4],Romanowicz[5],Senturia[2, 6],Turowski[7],Wachutka[8],Klein[9],Gabbay[10]等对此进行了多方面的研究.建立系统的简化模型缩聚模型(CM)是MEMS系统级仿真的关键.如何建立系统的CM,目前尚无统一方法,但有两种流派值得注意,即,1)节点分析法(NODAS[11]),2)信号流(Signal Flow)或称黑箱(Black Box[10])分析模型.