MEMS器件的计算机辅助设计方法和仿真研究

　　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, 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业化起了很大的作用。

　　2 MEMS 器件计算机辅助设计

　　2.1 MEMS 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。

　　①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。

　　②加工方法的变化。在目前 MEMS 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。

　　③MEMS 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。