（控制理论与控制工程专业论文）基于ip库的mems设计——设计方法和器件研制.pdf

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。 关键词:me ms i p 虚拟工艺 虚拟运行微加速度计 l a g效应 ab s t r a c t m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) i s a n e w l y t e c h n o l o g y i n m u l t i - d i s c i p l i n a ry a n d c r o s s - c u t t i n g a r e a s . a l o n g w i t h t h e b o a s t i n g o f m e m s f a b r i c a t i o n a n d c o m p u t e r s c i e n c e , c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n a n d v i rt u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y w e r e i n t r o d u c e d i n t o t h e me ms d e s i g n , w h i c h p r o mo t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f m e ms . h o w e v e r , m a n y o f m e m s c a d n o w a d a y s i s s t i l l f a c i n g s o m e t e c h n i c a l i s s u e s s u c h a s la c k o f p r o c e s s c e rt i f i c a t i o n , w e a k v i s u a l i z a t i o n o f m e c h a n i c a l d y n a m i c s i m u l a t i o n , d e v i a t i o n b e t w e e n t h e i n a d e q u a t e d e s i g n m o d e l a n d t h e f a b r i c a t i o n r e s u lt . i n t h i s t h e s i s , a n e w l y i p - b a s e d me ms d e s i g n m e t h o d o l o g y i s p r o p o s e d , w h i c h i s t h e c o m b i n a t i o n o f t o p - d o w n a n d b o tt o m - u p d e s i g n . t h e k e y t e c h n o l o g y i n c l u d e s i p l i b r a ry , v i r t u a l o p e r a t i o n a n d v i rt u a l p r o c e s s , f u n c t i o n a l l y a s t h e c o r e r e u s a b l e c o m p o n e n t m a n a g e r m e n t , b e h a v i o r a n d f a b r i c a t i o n s i m u l a t o r s r e s p e c t i v e l y . t h e m a i n r e s e a r c h c o n t e n t s a r e as t h e f o l l o w i n g a s p e c t s . a me ms d e s i g n s y s t e m b a s e d o n i p l i b r a ry i s e s t a b l i s h e d . t h e s y s t e m h as t h r e e m a i n c o mp o n e n t s : me ms i p l i b r a ry, v i r tu a l p r o c e s s ( p r o c e s s - l e v e l s i mu l a t i o n s y s t e m ) a n d v i rt u a l o p e r a t i o n ( m e ms b e h a v i o r a l s i m u l a t i o n s y s t e m) . me ms d e s i g n a b l e i p d e s c r i b e s t h e b e h a v i o r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f me ms d e v i c e s a n d o t h e r f a b r i c a t i n g i n f o r m a t i o n , s t o r e d i n t h e i p l i b r a ry , w h i c h f u l l y e m b o d i e s t h e c o n c e p t o f m e m s d e s i g n r e u s a b i l i t y . v i rt u a l o p e r a t i o n i s m a i n l y u s e d i n t h e t o p - d o w n d e s i g n ; f i r s t l y t h e me ms d e v i c e s a re s e p a r a t e d i n t o i p m o d u l e s , t h r o u g h t h e v i rt u a l ass e mb l y p r o c e s s , t h e d y n a m i c s m o d e l a r e b u i l t , a n d f i n a l l y t r a n s f e r r e d i n t o t h e v i rt u a l o p e r a t i o n e n v i r o n m e n t f o r p e r f o r m a n c e s i mu l a t i o n , d u r i n g t h e b o tt o m- u p d e s i g n , t h e p r o c e s s e s a n d p r o f i l e s a r e d e s c r i b e d i n t h e v i rt u a l p r o c e s s , w h i c h b u i l d i n g a 3 d e n t i t y m o d e l i n t o v i r t u a l o p e r a t i o n f o r r e a l - t i m e a n d d y n a m i c s i m u l a t i o n . a s t h e r e s e a r c h o f d r i e ( h i g h as p e c t r a t i o s i l i c o n e t c h i n g ) p r o c e s s t e c h n o l o g y a n d s t r i n g - c e l l h y b r i d s i m u l a t i o n a l g o r i t h m , a b u f f e r z o n e s t r u c t u r e b as e d d r o p i e - 2 d p r o c e s s s i m u l a t i o n s y s t e m i s b u i l t , w h i c h o p t i m i z e s s i m u l a t i n g e f f i c i e n c y n o t a b l y a n d e n h a n c e s t h e s i m u l a t i o n o f l a g e f f e c t . f i n a l l y , a g e n e r i c d r o p i e - 3 d p r o c e s s s i m u l a t i o n fr a me w o r k i s i n t r o d u c e d . t h e v i rt u a l o p e r a t i n g f r a m e w o r k i s r e a l i z e d . v i rt u a l o p e r a t i o n i s b as e d o n t h e d y n a m i c l a w s o f d i ff e r e n t p a r t s o f t h e d e v i c e s ; u s i n g v i rt u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y , t h e p e r f o r m a n c e i s v i s u a l i z e d i n t h e v i rt u a l e n v i r o n m e n t . t h e v irt u a l o p e r a t i o n m a i n l y c o n s i s t s o f t h r e e p a rt s : me ms d y n a m i c m o d e l l i b r a ry , d y n a m i c l a w s , a n d t h e 3 d v i s u a li z a t i o n . m e m s v i r t u a l o p e r a t i o n d y n a m i c s o l v e r i s p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e s i mu l t a n e o u s a n d t h e r e a l - t i me s i mu l a t i o n . f i n a l l y , m i c r o - a c c e l e r o m e t e r s s t r u c t u r e d w i t h d o u b l e b e a m , f o u r b e a m s , a n d c a p a c i t a n c e c o m b w e r e d e s i g n e d i n t h i s me ms d e s i g n s y s t e m. s i x d i ff e r e n t s t r u c t u r e s o f m i c r o - a c c e l e r o me t e r s w e r e d e s i g n e d , s i m u l a t e d , f a b r i c a t e 氏p a c k a g e d a n d t e s t e d . t h e s e f u l l y s t e p s w e r e c e rt i f i c a t i n g t h e v a l i d i t y a n d c o r r e c t n e s s o f t h e d e s i g n m e t h o d o l o g y p u t f o r w a r d i n t h i s t h e s i s k e y w o r d s : m e m s ; i p ; v irt u a l p r o c e s s ; v i rtu a l o p e ra tin g ; m ic r o - a c c e le r o m e t e r ; lao 南开大学学位论文版权使用授权书 木人完全了解南开大学关于收 集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校 有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以适当复 制论文的部 分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : ti )-o ,7年二月， ) 日 经指导教师同 意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 学位论文作者签名: 解密时间: 年月 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0年 ( 最长 1 0年，可少于1 0 年) 机密2 0年 ( 最长2 0年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下 ，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均己在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 碑豆 皿 2 -7年 s 月 户日 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪论 me ms是多 种学科和 领域交叉融合的 技术，因 此本章首先 介绍了 微电子机 械系 统 ( me ms ) 的 概念、 发展历史、 加 工技术和应用前景 等相关背景知识， 然 后对计算机辅助 me ms设计进行了相关的研究，指出了现有设计方法和工具存 在的一些问题，最后提出了本文的主要研究内容。 微电 子机械系统概述 ( me m s ) 什么是me m s 1 9 5 9年 1 2月，在加州理工学院的物理年会上，著名的物理学家 r i c h a r d p f e y n m a n做了 一个富有想象力和前 瞻性的 报告 “ t h e r e s p l e n t y o f r o o m a t t h e b o tt o m ，预言系统的微小型化将具有广阔的发展空间和重要意义，从而揭开了 人们认识 和 掌 握微 纳米 科 技的 序幕 o l 。 在 此 后的 几十 年 ， 随 着 微 观 测 量和 操 纵 技 术的不断进步， f e y n m a n 的 预言正 在逐步成为现实， 其微 制造和微机械等方面的 思想引发了 一场微小型化的 革命 1 2 1 一 方面人们利 用物理化学方法将原子和分子 组装起来，形成具有一定功能的微米/ 纳米结构;另一方面人们利用精细加工手 段加工出 微米/ 纳米级 结构。 前者导 致了 纳米生物学、纳米 化学等边缘学 科的产 生，后者则在小型机械制造领域开始了一场新的革命，导致了微电子机械系统 ( m i c r o - e l e c t ro - m e c h a n ic a l s y s t e m s , m e m s ) 的 诞 生 13 1 微电子机械系统 ( me ms ) ，是在微电子技术的基础上发展起来的，采用了 硅微 加工、 l i g a技术和精密 机械加工等 多种微加工技术 a 1 ， 可以 批量制作的、 集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接 口、通讯 等于 一体的 微型器件或微型系统 1 5 - 7 1 ， 它 包括感知和控制外界 信息 ( 力、 热、 光、 生、 磁、 化等) 的传感器 和执行器，以 及进行信号处理 和控制的电 路18 1 微电 子机械系统是一个综合系统， 它涉及到机械、电 子、化学、 物理、光 学、生物、材料等多种学科的交叉融合以及新原理和新结构的探索等，是近年 来发展起来的 一种新型多 学科交叉的 技术。对这一新兴领域，各国的 学者使用 第 1 章 绪论 不同的术语来表述。在美国，微电子机械系统建立在半导体技术基础_ l 称谓 ( m ic r o e le c tr o m e c h a n ic a l s y s t e m ) m e m s 19 1, 顾 名 思 义， 是由 微 机 械 和 微电 子 电路组成的系统;在日本，具有精密机械加工的传统优势，通常称之为微机械 ( m i c r o m a c h i n e ) 1 1 0 , u 1 ; 更强调系 统概念的欧洲， 称之为微系统( m i c r o s y s t e m s ) 1 1 2 1 ;国内 一般称为微电 子机械系统或微机电 系统 ( m e m s ) 1 1 3 1 。它们都以微小 ( mi c r o )为特征，有的强调机械，有的强调系统，但当前人们常不加区别地统 称为m e ms 1 1 a 1 e 如今 ，微 电子 机 械系 统技 术 已经 是 建立 在微 米/ 纳米 技 术 ( m i c r o / n a n o t e c h n o l o g y ) 基础上的 2 1 世纪前 沿技术， 是对微米/ 纳米材料 进行 设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部 件、电控系统集成为 一个整体单元的 微型系统， 包括感知和控制外界信息( 力、 热、 光、生、磁、 化等) 的传感器 和执行器，以 及进行信号处理和控制的电路。 这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获 取的 信息自 主地或 根据外部的指令采 取行动。 它用微电 子技术和微加工技术( 包 括体 硅微加工、 硅表面 微加工、 l i g a和晶片键合等技术 ) 相结合的 制造工艺， 制 造出各种性能优异、价格低廉、微型化的 传感器、 执行器、 驱动器和微系统。 m e ms以 其微型化的 优势， 在汽车、电 子、 家电、 机电 等行业和军事领域有着 极其广阔的应用前景，将是未来的主导产业之一。 2 me ms的发展历史 回顾 me ms 的发展历史， 最早可以追溯到 1 9 世纪， 照相制版技术诞生了光 技术. 2 0 世纪6 0 年代， 美国相 继开 发了结晶异方向 腐蚀、 杂质浓度依存性腐蚀、 阳极建合等基本微加工技术。1 9 5 4年 c . s . 史密斯研究发现了半导体材料硅、锗 的 压 阻 效 应 ， 从 此 开 始 用 硅 制 造 压 力 传 感 器 11 51 。 进 入7 0 年 代， 己 经 有 人 利 用 硅 平面加工技术制造微梁和压力传感器。 到了八十年代， 硅传感器 有很大发展， 同 时 利 用 微 加 工 技 术 ( m ic r o - m a c h in in g ) 制作出 多 种 微 小 尺 寸的 机 械 零 部 件 116 1 1 9 8 8 年 美国u c b e r k e le y l 1n 大 学 发 表 了 基 于 表 面 牺 牲 层 技 术 的 转 子 直 径 为 6 0 -1 0 0 t m的硅静电 马达 ( 如图1 . 1 所示) ， 引 起了国 际学术界的轰动， 开始了 微电子机械系统 ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ) 的 历史。 人们看到了电 路与 执行部件集成制作的 可能 性， 是 m e m s技术的开端。同 年， m i t , b e r k e l e y , 第 i章 绪论 过程，微机械加工是并行的工艺，成百上千个相同的元件在一块品片上同时制 作。 me ms加工的材料主要有三种:单晶硅和多品硅，压电材料和其它类型合 成材料。硅基加工技术主要是由平面工艺 ( p l a n a r ) 、体微机械加工和表面微机 械加工组成。之所以大量采用硅作为微机械加工材料，是因为硅的机械性能好， 其强 度， 硬度和杨氏 模量 与铁 相当， 密 度类似铝， 热传导率接近相和 钨2 s . l i g a 工艺主要使用材料有:聚合物材料 ( 例如p mma ) ,金属 ( 例如铜、金、铁、钻 等合金)和陶瓷材料等等。 m e m s要求 非硅基和硅基微加工技 术相互 扬长 避短、 达到兼容， 最终目 标 是实现系统的集成化 1 2 6 , 2 7 1 。 因此， me m s 的封装 和装配技术不仅比i c 封装困 难， 并且由于微机械零件、微制动器和金属、塑料、陶瓷等材料的引入，其技术难 度和复杂度可以想象。 就目 前来看，以 美国为 代表的 硅基微加工技术日 趋成熟， 以此类加工方 法生 产的m e m s 产品占 据了m e m s 器件的 绝大部分市场， 本文研 究的技术主要是针对这一类微机械系统的。 1 . 1 . 4 m e m s 的应用 m e m s 的器件 研究主 要集中在传感器、 光学m e m s 、 射频m e m s 、微 流体 与生物 m e ms 等多个方面 1 2 8 1 。 人们不仅要开发 制造 m e m s的 各种技术， 更重 要的是如何将制成的me ms器件用于实际系统中， 并从中受益。目前可以预见 的应用领域包括汽车、航空 航天、信息通讯、生物化学、医疗、自 动控制、消 费品及国防等。 m e m s微传感器是微系统的 重要组 成部分，如压力传感器、生物传感器、 化学传感器 ( p h 值，气体等) ，温度、磁场、光强等传感器和流量计、加速度 计等，很多己 经实用化， 成为了 最基本的电 子元器件，并广泛应用于军事、 航 天、生 命科学等等， 正逐渐地 渗入人 们百 姓的生活中。这些器件 有的与i c 集成 在一 起， 形成灵巧 传感器 ( s m a rt - s e n s o r ) ， 朝着集成化、 智能 化、网 络化方相发 展。 a d i 公司 早在 1 9 9 1 年就推出了首款基于m e m s 技 术的完 全集成的 单片 加速 度计 a d x l 5 0 1 2 9 1 ; 器件的核 心部 分质量 块与 平衡式电 容器由 多晶硅组成， 用表 面微加工技术制造。 该器件工作 量程达5 0 g ， 电 源电 压5 v ， 芯片尺寸为3 x 3 m m , 封装在 t o - 1 0 0 管壳内，售价仅为几美元。图 1 . 2 所示是 a d i 公司最早商品化的 第 i 章 绪论 制造及使用特性决定了它需要一种联结并集成 e d a “ ，md a这两个领域的设计 工具，me ms 的计算机辅助设计和虚拟现实软件将成为沟通 e d a与 md a之间 的“ 桥梁” 13 a ) . m e m s设计方 法处于两大c a d产 业的 交叉地带， 如图1 .4 所示: e d a以 及m d a 5 1 o m e ms 设计方法 应该有意识的 集成m d a和e d a工具。 图1 .4 m e ms设计系统是e d a和m d a的综合和继承 3 5 1 从纵向结构层次来说，计算机辅助 me ms设计方法又有不同的层次:系统 级、器件级、物理级、工艺级，如图 1 . 5 所示。根据建模层次的先后，设计流程 分为两 类:自 顶向 下和自 底向 上。 在器 件以 下的 层次， m e m s 设 计方法/ 系 统得 主要研究内容有主要包括了器件建模、工艺模拟、器件掩模版图设计与综合以 及器件模拟等方面。 在设计工具上， 系统级模拟有较成熟的e d a软件如 c a d e n c e 等设 计软 件完成，然而， 在器件级以 下的模拟工具，自 动化程度比e d a弱的， 目前还存在很多问题，是处在研究摸索阶段。因此器件级研究也是最基础的部 分，本文的大部分研究工作也正是集中在器件级层次下展开的。 图 1 . 5 计算机辅助 me ms设计方法的层次 第 i 章 绪论 i ) 系 统级仿真 目 前m e m s 设计的方法主要 有两 种: 从器件工艺版图出发的b o tt o m - u p 设 计思路以 及从系 统功能出 发的t o p - d o w n 设计方法。在m e m s 设计中，最终阶 段是集成为系统。在系统级别，模型是基于常差分方程并且在时域中进行模拟 的。me ms系统主要由传感器、控制器和执行器等功能组成，在系统级建模上， 将会集中在 me ms多能量域的问题上。 为了支持 me ms 设计者系统级模拟的需求， 在器件级层次上， me ms设计 方法集中在宏模型的建模上，即为微机械器件生成系统级模型。这种模型有不 同 的名称，包括 宏模型 ( m a c r o m o d e l ) 、 压缩模型 ( c o m p a c t m o d e l ) 、降阶模型 ( r e d u c e d - o r d e r m o d e l ) 、 块 模型( i p m p e d m o d e l ) . m e m s设 计系 统 应 提供 从3 d 器件模拟中 提取宏模型的 功能。这可以使 工程设计者对微机械元件和外围i c 元 件进行综合优化。 宏模型是指不考虑器件建模的具体细节，在保证器件的静力学和动力学等 物 理特性基础上，在可接受的误 差范围内， 对器件的模型进行简化生 成的 模型。 研究宏模型建模的深入和优化主要是为了将模型集成入系统级模型是具有更佳 的分析性能。常用的宏模型建模方法主要有等效电路法和硬件描述语言建模法。 目 前对宏模型的 研究主要是以 某一类的研究实例为主， 缺乏对宏模型自 动生成 工具的研究。 宏模型尽量使用解析模型，而非数值模型，以便设计者对设计修改引起的 效应进行解释。宏模型还应该尽量表达为容易使用的形式，如方程、网络模型， 或一组祸合的常微分方程。 美国 c o v e n t o r公司发布的 c o v e n t o r w a r e n m ，包含了以 s a b e r 为基础的 a r c h i t e c t m模块， 提供了 系统级设计仿真的工具，可以利用自 带的 a n a l y z e r ， 模块取得的 b e m / f e m 分析的复 杂模型， 通过 i n t e g r a t o r 工具 创建 线性或者非线性的降阶 宏模型; i n t e l l i s u i t e n v e r 8 提供了s y n p l e n 系 统级模拟工具， 其中包括了 模拟、 数字、 m e ms 器件等元件，s m e n m 模块可以 精确创建n 一 自由度的系统级 m e ms 模型， 用于 s y n p l e或者其他e d a系统及 模拟i具如s y n o p s y s , c a d e n c e , m e n t o r g r a p h i c s 等。国内 方面，由 北京大学微 电子研究院自主研发的i me e 1 .0系统级模拟中，采用标准化v h d l - a ms语言， 建立了适合微小尺度下的me ms基本单元 ( 梁、膜、弹簧、气隙、阻尼等)的 结合点化模型。 第 i , -绪论 2 ) 器 件级仿 真 me ms设计系统应该包括设计器件在相关物理域的模拟仿真，可以对各种 物理域分析，如有限元结构分析器、动态流体计算分析器、热模拟分析器。这 些物理域涉及很广，包括:静电、静磁、机械结构、热学、液流体、气流体、 半导体器件物理。这些物理域之间也有可能产生祸合效益。 计算机辅助 me ms 设计方法通常利用 f e mbe m方法进行建模和分析，其 描述器件行为特征的数理方程主要是偏微分方程，从数值方法和解析方法两个 角度求解器件的动态行为模型。对于复杂结构，通常采用数值方法，如有限元、 边界元、有限差分法等，利用能量守恒原则，可以转化成通用的模型来求解其 动态行为 特征。一 些较著名的 数值分析软 件包括有限元分析软 件 a n a s y s t m , 集成了f e m be m分析模块的c o v e n t o r w a r e t m 等， 能够实现多能量 域的 祸合求 解，在 现有的m e ms 设 计过程中具 有十分重 要的意义。但是 数值分析方法计算 量大、耗时，而且对于不同结构尺寸参数的me ms器件需要重复多次建模和数 值计算的过程，存在设计效率低、开发周期长等缺点。因此，开发一种能够生 成快速、高效、可迭代设计的器件行为模型的建模方法成为 m e ms领域的一个 研究热点。 这类模型从器件的 物理模型中 抽取出反映 器件基 本物理行为特征， 从而进 行快速、 有效的仿真过程。 通常这类降阶 ( r e d u c e d - o r d e r ) 模型被称作宏 模型 ( m a c r o - m o d e l ) . 现 有的m e ms 器件仿真软件 集中 在对器件时域和频域中 各种特性的 模拟和 分析。例如:由 b e r k e l e y加州大学开发的一套继承于电路 模拟 s p i c e的 三维 m e ms 仿真工具s u g a r ， 该仿 真工具采用节点分析 ( n o d a l a n a l y s i s )的方 法， 包含了ma t l a b中的一些常用函数的集合， 包括对三维机械结构的静态、 稳态、 模态和瞬态分析和电路分析。宏模型在现有的仿真工具中的模拟结果一般通过 图表和曲线的形式 给出， 缺乏直观的 运行状态的 展示，特别是 对于m e m s 器件 这种微小尺寸且具有机械性能的结构来说，这种仿真结果缺乏与设计者良好的 交互能力。 3 ) 工艺级仿真 对于半导体和m e m s 这种加 工设 备昂贵 、加工流水费用高昂的 研究领域来 说，针对工艺的理论研究与模拟分析非常重要，而且在成熟的半导体设计领域 中己经得到了证明。 m e m s 器件的 工艺级 ( p r o c e s s l e v e l )设计 主要是完成工艺 顺序编写并设计 第 i 章 绪论 对应的每一层掩膜。工艺级仿真是指在已知加工工艺和掩膜版图的前提下，生 成其三维几何形状和材料属性的过程。工艺模拟可分为基于几何的工艺模拟和 基于物理的工艺模拟两种。 基于物理模型的模拟主要是针对特定工艺，通过计算加工过程中的物理量， 得到器件拓扑结构随时间的演变过程。许多研究机构都开发了此类模拟器，如， 著名的s a mp l e 包含了刻蚀以及淀 积模块; s t a n f o r d 的s p e e d i e 应用了一 种现 象学表面反 应模型来模拟刻蚀以 及淀积的 过程;k e n j i h a r a f u j i 考 虑了 刻蚀过程 中衬底材料的表面情况， 包含了表面吸收粒子层对刻蚀的影响， 开发了mo d e r n 工具;i l l i n o i s 大学开发的 a c e s软件用于硅湿法腐蚀、砷化稼湿法腐蚀和 r i e 腐蚀工艺的模拟。在国内，此类软件中比较有代表性的是北京大学 自主研发的 用于b o s c h 工艺模 拟的d r o p i e 。 这 种基于 物理模型的仿 真精度 很高， 缺点是仿 真过程十分耗时，所需的存储空间也较大。单纯的几何图形操作则通过将实际 工艺归纳为有限的几何运算并以规则的形式存储到工艺库中，当需要模拟某种 工艺时只需从库中 调用相应规则即可，而不必 进行真实的物理计算。 该方法在 时间和空间复杂度上远远低于前者，非常适合整个工艺流程的模拟，一定程度 上很好地满足了设计人员的需要。目前，大部分国外商业软件都包含了此类功 能 的 工艺 仿 真， 如c o v e n to rw a r e tm . in te llis u it m e m s p ro t m 等。 国 内 的 有北京大学开发的 me ms c a d系统 i me e . i me e以工艺为主线，贯穿整个设 计过程，较好地解决了设计与加工脱节的问题。西北工业大学微/ 纳米技术实验 室开发的 me ms g a r d e n 以硅基微陀螺的设计与分析为需求牵引，对 me ms 集成设计的方法和理论以及其实现的关键技术进行了深入的研究。此外，东南 大学，哈尔滨工业大学等单位也在国家 8 6 3 me ms重大专项的支持下开展了相 应的研究工作. 3国内外 me ms c a d的研究现状 m e m s的产品设计 包括器件、 集成电 路、系 统和封装等几个方面。 其开发 过程的分析十分复杂，包括动力学、电子、微流体、光学、电磁场等的综合作 用。与集成电路和一般机械一样，采用计算机辅助设计和虚拟现实模拟技术可 以极大地提高me ms器件的性能和可靠性，同时降低开发周期和成本，并有助 于理解微小范围内的力、电、磁、热、机械甚至声等能量之间的相互作用，优 第 1 章 绪论 第三章首先分析了目前工艺仿真中线一 单元模型的核心算法和建模方法，然 后介 绍了葵于 缓冲区结构的 工艺 仿真优化方法以及l a g效 应的 模拟， 并介绍了 在 三维仿真方th l , 通用的d r o p i e - 3 d框架。 第四章主要介绍了虚拟运行，首先讲述了虚拟运行的实现框架，并对其动 态运动规律器的设计 与 实现进行了阐述，最后给出了系统实现和微泵的设计实 例。 第五章以电 容式微加速度计为设计实例， 介绍了 其设 计、 加工、 封装和测 试的完整过程。 第六章主要 总结了 本文的 研究内 容，叙述了 本文的 创新点和展望。 各章的 研究内 容之间的关 系如图1 . 1 0所示: 第一章绪论 第二章基于i p 库的me ms 设计系统 甲 第三章 me ms 设计中的工 艺仿真 第五章 me ms 设计实例电容式微加速度计 第六章 结论 图 1 . 1 0论文全文组织框架 第2章 基 于i p库的me ms设计系统 第2 章 基于i p i 库的me ms 设计系统 由于me ms使用微电子工艺进行加工， 当前的 me ms 设计思想和设计方法 大多从 i c设计沿袭和发展过来。i c设计基本上是二维的，而 me ms则是三维 的。对于具有运动性能的me ms器件来说，me ms 设计方法和工具都不可能与 i c设计完全一样。传统的机械 c a d和集成电路的c a d ，都无法完成 me ms设 计。因 此需要针对m e ms 设计 特点， 研究其设 计过程 和规 律， 在实践中开 发快 速有效的方法。其次，与 i c设计相比，me ms设计还处于初级阶段，不像 i c 一样具有很多可重用的单元。对于me ms设计还需要建立一套可重用单元的机 制;而且对于这些可重用的单元，还需要验证其是否能够实际加工出来。 利用仿真解决设计的基本问题是一个反复循环、试探性求解的过程;也就 是通过不断改变设计方案，仿真获得性能指标;一旦获得了可接受的性能指标， 它所对应的设计方案就是可行的设计方案;如果需要最优方案，循环尚不能结 束，则继续寻找多个可行的设计方案，并加以比较，最终获得最优解。因此， 仿真在解决m e m s 设 计的 基本问 题中 作用巨大， 提高 仿真的 效率也至 关重要。 本文针对 me ms 设计环境和运动仿真进行了深入的研究， 吸收 i c设计的重 要思想 设计重用， 提出并建立了采 用虚拟现实技术的基于i p 库的m e m s 设 计 方 法 ， 该 方 法 是t o p - d o w n 和b o tt o m -u p 方 法 的 结 合 。 该 方 法 包 括 了 三 个 关 键 的技术:1 ) i p库，i p库是 me ms设计重用性和 me ms设计方法的核心，为 m e m s 设 计器件提供了可重 用和存储的 机制; 2 ) 虚拟工艺， 是b o tt o m - u p 设计 的方法，目的在于解决工艺仿真与实际加工脱离的问题，建立了基于专家系统 几何建模和基于物理模型体元建模的工艺仿真;3 )虚拟运行，建立了 me ms 器件动态 仿真和运动规律器，目 的在于 解决m e m s 动态 性能仿 真和评测问题， 是m e m s 器件设 计中的t o p - d o w n 仿真 方法。 本章首先介绍了目前me ms 主流的设计方法， 对 me ms可重用性进行了研 究， 然后提出了基于 i p 库的me ms设计系统， 简要地介绍了该系统的设计思想 和系统结构、主要组成部分，并进行了形式化方法的建模，最后给出了本方法 特点 。 ， i p是指具有知识产权的功能模块. 第2章 草于i p库的me ms设计系统 2 . 1 me ms设计方法 m e m s设计 通常包括系统设 计、 器件设计、 工艺设计三个部分。系 统设计 主要是研究由me ms和 i c共同组成的微系统整体性能;器件设计是对 me ms 器件二维/ 三维的实体结构，利用 f e mbe m 进行物理特性的分析;工艺设计则 是根据工艺版图和工艺流程，生成器件的二维或者三维的结构。 从设计者的路 线出发， m e m s 设计与i c 设计一 样， 有自 顶向 下( t o p - d o w n ) 和自 底向 上 ( b o tt m -u p ) 的 两 种 方 式 14 3 1 。自 顶向 下 是 指 从 系 统 总 体 概 念 出 发， 最后细化到每个小单元的实现:自底向上的方式则相反，从最基本的单元开始， 最后合成在一起到系统的总体设计。通常把系统设计看作是设计流程的上层， 工艺设 计是位于最 底层的 一步。 那么， m e m s 的t o p - d o w n 方式 从系统级出 发， 最后是 工艺级; b o tt o m - u p 方 式则是 从工艺出发到系统级仿 真。 最早用于me ms 设计的方法来源于 v l s i 设计，设计人员在对 m e ms 器件 进行的设计流程如下: 1 ) 首先根据示意图或者拓扑图，设计工艺需要的掩模版图和工序; 2 ) 然后利用建模工具生成与设计相近三维实体模型; 3 )接着利用f e m be m等方法对 器件进行所涉及到的能量域的仿 真， 对于 不符 合要 求的器件， 版图 和工序要进行 相应的 修改; 4 )不断的迭代第 1 - 3 步，直到从数据分析中取得性能最佳位置。 5 )利用满足要求的版图和工艺，得到实际加工所需的数据，生成器件; 6 )对器件进行测试， 对于不可以实际 加工的 或者不满足要求的， 重 新回到 第 1 步直到性能满足要求为止。 这种方法是面向制造的设计方法，存在循环次数多、设计周期长、设计不 直观、非结构化、难以有效地设计复杂器件等重要问题。设计成功率很大程度 上依赖于设 计者的 实际经 验 4 4 , 4 5 1 1 9 9 5 年1 1 月由 美 国 加州 理 i 学 院 提 交的 题为 “ s t ru c t u re d d e s ig n m e t h o d s f o r m e m s 4 6 1 报告中， 针对m e m s 的 设计方法进行了 研讨，确定了m e ms 结构 化设计方法的 研究目 标， 提出了t o p - d o w n 设计分析的大致 流程。 其研究目 标是 将设计群体和制造群体，将设计与实际的工艺过程/ 能力等之间建立一个彻底的 分离，以促进 me ms设计和制造的发展。结构化设计方法主要面向功能设计， 同 时也要保 证可制造性。 大会围绕四 个主题进行了 展开讨论: ( 1 ) m e m s 综合， 第 2章 基于i p库的me ms设计系统 研究m e m s 器件实体 形状、 掩模的 ( 半)自 动生成方法。 ( 2 ) 功能仿真， 讨论 m e m s的 器件和系统的机械和电信号 仿真方法和工具需求。 ( 3 ) 数字数据交换 语言，讨论在研究、设计、加工和测试人员之间信息专递中所需要的语言和标 准。( 4 )工艺仿真，讨论在设计过程中对加工工艺进行仿真的需求。此次研讨 会确立了me ms结构化设计方法尚待解决的问题， 为me ms设计方法的进一步 研究奠定了基础。 从 1 9 9 5 年开始到现 在， 研究者提出了多种结构化 设计方法，主要 有综合的 结构 化 方法、 层 次 结构 化 方 法和 基于 特 征的 几何建 模方法( f b m g m) 等 4 7 1。 例 如a n t o n s s o n 研究小组 4 8 1 提出了体 微加工中 掩模和工艺 综合的结 构化设计方法， 卡耐基 梅隆大学的f e d d e r 4 9 , s o 等提出 了 适用于表面微加工设 计的 层次结构 化方 法，g a o s p 等引入了 特征建模概念提出了 一种面向 功能的设 计模式。 随后的几年里， 出现了针对 me ms 结构化设计的系统级分析的软件和工具。 美国c a r n e g ie m e ll o n 大 学的n o d a s v1.41， 提供了 一个参 数化 的元 件 库。目 前该库中包含了梁，质量块，锚点，静电梳齿驱动 ( 垂直和横向) ，横向的静电 间隙等可以用于 i c设计的 s a b e r 中进行系统级模拟。 n o d a s方法主要针对微致 动器、传感器而研究开发的，不仅考虑了系统局部的结构，更重要地强调系统 的 整体 行 为。 由u c b e rk e l e y 开发的s u g a r 开源代 码通过s p ic e 中的n e t li s t 格式描述器