（微电子学与固体电子学专业论文）mems器件结构参数综合与优化技术研究.pdf

摘要 随着m e m s 技术的快速发展，m e m s 器件结构参数自动设计与优化对器件设计与综合的作用显 得越来越重要。采用自动设计与优化系统，设计者只要提出设计优化目标和约束条件，系统自动完 成优化过程，输出给设计者结构参数的具体数值和精度误差。 自动优化工作的关键技术之一是建立对m e m s 器件具有普适性的优化算法。论文的研究内容围 绕优化方法与技术展开，开展优化系统结构的研究、典型m e m s 器件优化方法的研究、参数优化算 法的研究，编制相关软件，形成较为完整的m e m s 器件设计与参数优化系统。 论文针对固支梁、悬臂梁和梳状谐振器这三种结构，分别对它们的结构参数优化进程进行描述， 运行算法得到了优化的结果，并分别对上述结构的f 1 类比或f v 类比的小信号等效电路宏模型进 行了s p i c e 的系统级模拟与c o v e n t o r w a r e 软件的验证。对四边同定的矩形膜，提出了结构参数的自 动优化思想，通过开发的软件得到了优化结果，并对其f - i 类比的二维电路阵列小信号等效电路宏 模型进行了系统级模拟和c o v e n t o r w a r e 软件验证。 根据建立的基本m e m s 器件的结构参数优化思想，完成了基本的m e m s 器件优化算法的接口 设计软件m e m s a u t oo p t i m i z a t i o n ，实现了基本器件结构参数的自动优化。 论文首先简单介绍了m e m s 器件宏模型的建立方法，本文基于该方法对器件进行建模。接着具 体阐述了m e m s 器件结构参数优化的方法，对自动优化的流程及其算法傲了详细说明。总结了 m m s 器件结构参数自动优化的基本思想。 本论文用c + + 语言编写了适用于基本m e m s 器件优化算法的软件，通过多个器件的优化设计， 表明该软件稳定可靠，满足设计与优化要求。 关键字：m e m s ，基本器件，自动优化，结构参数，等效电路 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , t h eo p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm e m s d e v i c e sp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g na n ds y n t h e s i so f d e v i c e s b u i l d i n gt h eg e n e r a l o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m so ft h em e m sd e v i c e si s o n eo ft h ec r i t i c a lt e c h n i q u e so fo p t i m i z a t i o n c 4 - + l a n g u a g ei sa d o p t e dt oc o m p i l et h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m so ft h eb a s a lm e m sd e v i c e si nt h i sp a p e r p o l y n o m i a lc o n t r o l l e d s o u r c e so f s p i c ea r ea s e d1 0b u i l da n ds i m p l i 母t h ec i r c u i ts t r u c t u r ei ns i m u l a t i o no f o p t i m i z e ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s t h ea p p r o a c ho f b u i l d i n gt h em a c r o m o d e l so f t h em e m sd e v i c e si ss t u d i e df i r s ti nt h ep a p e r d e t a i l s o ut h ef l o wa n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m so f a u t o m a t i co p t i m i z a t i o no f t h em e m sd e v i c e sa r ed i s c u s s e di n l a t e rs e c t i o n s t h eb a s i ci d e ao f a u t o m a t i c0 p t i m i z a t i o no f t h em e m sd e v i c e sa r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h en a n s d u c e r so fb e a ma n dm e m b r a n ea r et h ec o m m o nd i s t r i b u t e d - p a r a m e t e rs t r u c t u r e si nm e m s d e v i c e s f o rt h et h r e es t r u c t u r e so fc l a m p e d - c l a m p e db e a m ，c a n t i l e v e rb e a ma n dc o m br e s o n a t o r , o p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa md e s c r i b e da n do p t i m i z e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e d s y s t e m - l e v e l s i m u l a t i o nw i t hs p i c ea n dv e r i f i c a t i o nw i t l lc o v e n t o r w a r ea r et a k e nf o ra l lt h et h r e es m a l l - s i g n a l m a c r o m o d e l sb u i l tb yu s i n gt h ec o n t r o l l e d s o u r c e so fs p i c ew i t hf va n df - la n a l o g y , r e s p e c t i v e l y f o r t h er e c t a n g l em e m b r a n ew i t hf o rs i d e sf i x e d t h ei d e ao fa u t o m a t i co p t i m i z a t i o no fi t ss t r u e t u r a lp a r a m e t e r s i si n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m e 1 1 1 eo p t i m i z e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt o o s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o nw i t h s p l c ea n dv e r i f i c a t i o nw i t hc o v e n t u r w a r ea r et a k e nf o ri t ss m a l l s i g n a lm a c m m o d e lf o rt w o - d i m e n s i o n a l e q u i v a l e n tc i r c u i ta r r a yr e p r e s e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h eb a s i ci d e ao fa u t o m a t i co p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sf o rb a s a lm e m s d e v i c e s t h es o f t w a r e “m e m s - a u t uo p t i m i z a t i o n ”f o ri n t e r f a c e sd e s i g nf r o md e v i c e s p a r a m e t e r st o c o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m si sd e v e l o p e dw i t hc 什t h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o n o fb a s a l d e v i c e s p a r a m e t e r s si m p l e m e n t e d k e y w o r d ：m e m s ， b a s a ld e v i c e s ,a u t o m a t i co p t i m i z a t i o n ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ， e q u i v a l e n tc i r c u i t l l 图表索弓 图索引 图l 一1典型的m e m s 系统j i l l 部世界相且作 f 】示意图1 幽1 - 2m e m s 系统e i 项向r 设计流程4 图1 3 采i h 等效电路宏模型的系统分级示意图6 图l - 4m e m s 综合流程图7 图2 - 1 简单一二阶机械系统1 0 图2 2 串联简单电路及其f - v 类比等效电路 图2 3 并联简单电路及其f i 类比等效电路一 图2 4 等效电路宏模型的m e m s 器件系统级模拟流程1 2 图3 - 1结构参数的设计优化流程 1 4 幽3 - 2自动优化算法流程图1 7 图4 1同支梁自动优化算法流程图1 8 图4 2 同支梁结构的分布参数力传感器示意图1 9 图4 3 受控源形式的尚支粱力传感器f 1 类比小信号等效电路宏模型。2 0 图4 5 修改同支粱厚度的优化结果的幅频响应输出曲线2 2 图4 6 综合修改同支梁长度和厚度的优化结果的幅频响应输出曲线2 3 图4 - 7s a b e r 中建立的双端同支梁等效电路宏模犁验证模型示意矧及交流分析输出曲线2 4 图4 - 8 优化前后的同支梁等效电路宏模型在s a b e r 中的交流分析曲线2 5 图4 - 9 悬臂粱结构的分布参数力传感器的示意图2 6 图4 1 0 受控源形式的悬臂梁力传感器f v 类比小信号等效电路宏模型2 7 图4 1 1修改悬臂梁长的优化结果的幅频响麻输出曲线2 8 图4 一1 2 修改悬臂梁厚度的优化结果的幅翱响麻输出曲线2 9 图4 1 3 综合修改悬臂梁k 度和厚度的优化结果的幅频响应输出曲线3 0 陶4 1 4s a b e r 中建立的恳臂粱小信号等效电路验证模型示意幽3 1 图4 1 5 两次优化的恳臂粱等效电路宏模型在s a b e r 中的交流分析曲线3 1 削4 1 6 梳状谐振器结构示意图3 2 幽4 一1 7 微谐振器中振f 的主要设计变量3 3 图4 1 8n 对义指的谐振器人信号等效电路3 4 图4 1 9 梳状谐振器f v 类比等效电路宏模犁3 4 图4 - 2 0 梳状谐振器f i 类比等效电路宏模璎3 4 图4 2 l修改梳状谐振器折鸯梁长度的优化结果的幅频响应输出曲线3 6 图4 - 2 2 修改梳状谐振器折叠梁宽度的优化结果的幅频响应输出曲线3 7 图4 - 2 3 综合修改梳状谐振器折叠梁的长度厶和宽度彬的优化结果的幅频响应输出曲线3 9 图4 2 4 矩形膜结构示意图4 0 图4 2 5 矩形膜结构力传感器的小信号等效电路4 0 图4 2 6 修改矩形膜长度的优化结果的幅频响应输出曲线4 2 图4 2 7 修改矩形膜宽度的优化结果的幅频响应输出曲线4 2 图4 2 8 综合修改矩形膜长度和宽度的优化结果的幅频响应输出曲线4 4 图5 1 m e m s - a u t o o p t i m i z a t i o n 软件主界面4 6 图5 2 软什的儿个器件选择的功能模块示意图4 6 图5 3 梳状谐振器窗口示意图一4 7 图5 - 4 梳状谐振器窗口的功能键4 7 东南大学硕士学位论文 图5 - 5 梳状谐振器结构参数自动优化界面4 7 图5 - 6 悬臂粱机电换能器参数设置框界面示意图4 8 图5 7 悬臂梁窗口的功能键示意图4 9 图5 - 8 悬臂梁结构参数优化结果4 9 7 4 图表索 表格索引 表2 jf v 类比中电量和机械量对应关系 表2 2 f - i 类比中电量和机械量对应关系 表4 1i 吲支梁物理参数及，l 何参数设置 1 0 1 j 2 0 表4 2 修改固支梁长度，的自动优化结果2 1 表4 - 3 修改同支架厚度力的自动优化结果2 2 表4 4 周支梁长度，和厚度h 对谐振频率的敏感度2 2 表4 5 综合修改固支粱k 度，和厚度h 的自动优化结果2 3 表4 6 同支粱宏模型s p i c e 模拟与c o v e n t o r w a r e 验证的频率比较，2 5 表4 7 悬臂梁物理参数及儿何参数设置2 7 表4 8 修改悬臂梁长度，的自动优化结果2 8 表4 9 修改悬臂梁厚度h 的自动优化结果2 9 表4 1 0 悬臂梁长度，和厚度h 对谐振频率的敏感度2 9 表4 1l综合修改悬臂粱长度，和厚度h 的自动优化结果3 0 表4 1 2 悬臀梁宏模型s p i c e 模拟与c o v e n t o r w a r e 验证的频率比较3 2 表4 】3 梳状谐振器结构的各儿何参数和物f 罩参数3 5 表4 1 4 修改梳状谐振器折叠梁长度厶的1 3 动优化结果3 5 表4 1 5 修改梳状谐振器折叠梁宽度：的自动优化结果3 6 表4 1 6 折叠梁的氏度厶和宽度眵对谐振频率的敏感度3 7 农4 1 7 表4 】8 表41 9 表4 2 0 表4 2 1 表4 2 2 表4 2 3 综合修改梳状谐振器折叠梁的长度上。和宽度彬的自动优化结果3 8 梳状谐振器宏模型s p i c e 模拟理论计算的频率比较3 9 矩形膜参数设置 修改矩形膜的长度，的自动优化结果 修改矩形膜的宽度b 的自动优化结果 综合修改矩形膜的跃度弭b 宽度b 的自动优化结果 等效r u 路分析和c o v e n t o r w a r e 软件分析的频率比较 4 l 4 1 4 2 4 3 4 4 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塑鱼邀导师签名 e l 期：o 趁2 ：三= 7 第一章绪论 1 1 岫俗的定义 第一章绪论 m e m s ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 即微机电系统，也称为微电子机械系统，它通常是一 个包含有动能、弹性形变能、静电能或静磁能等多个能量域的复杂系统，它是微电子系统与其它微 型信息系统( 各种能进行信息与能鼍传输和转换的系统) 相结合的产物。 m e m s 的概念始f2 0 世纪8 0 年代，一般泛指关键尺度在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械 元件组成的器件或系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。微机电系 统并不是传统机械电子的直接微型化，它在物质结构、尺度、材料、制造 艺和工作原理等方面远 远超出传统机械、电子的概念和范畴，实现了微电子与机械融为一体的系统i l j 。 m e m s 是在集成电路工艺的基础上发展起来多学科交叉的新型学科，几乎涉及到自然及工程科 学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、力学、自动控制学、生物医学、材料科学、 能源科学等，图1 1 给出了典型的m e m s 系统与外部世界相互作用的示意图。作为输入信号的自 然界各种信息首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理以后( 模拟数字) 再通过微执行器对外 部世界发生作用。 l 塑卜逦 四日一 传 执 遁 匝丑一 感行 叵雷一 恒 器器 i 堂卜 与其它徽系统的通讯偿口 ( 光扈磁) l 是匕i面目 图i - 1典型的m e m s 系统与外部世界相互作用示意图 m e m s 具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批餐生产。根据 这些特征衡量，用微电子技术( 但不限1 二此) 制造的微小机构、器件、部件和系统都属fm e m s 的 范畴，微机械和微系统只是m e m s 发展的不同层次。这就是微电子机械系统较为准确的一般定义。 m e m s 技术的目标是通过系统的微莲! 化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。 m e m s 器件和系统具有体积小、重龟轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、机电一体化、 可批量生产等优点，因此在航天、航空、汽车、生物医药等诸多领域有着十分广阔的应用前景p j 。 自从2 0 世纪6 0 年代以来，m e m s 技术已取得很大的发展，尤其是进入9 0 年代之后，由于制作工 艺的进步，其发展更为迅速。m e m s 器件种类繁多，几乎无法列出所有的m e m s 器件。根据目前的 研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，m e m s 所包括的单元主要有以下几类1 4 j ： ( 1 ) 微传感器：包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等的传感器。每一类又可以 细分为多种； ( 2 ) 微执行器：主要包括微马达p j 、微齿轮、微泵i o j 、微阀l 】等； ( 3 ) 微型构件：主要包括微粱、微探针、微腔、微沟道等： ( 4 ) 微机械光学器件：即利用m e m s 技术制作的光学元器件，目前已有微镜阵列、微光扫描 器、微光斩波器、微光开关1 7 1 等； ( 5 ) 微机械射频器件f r fm e m s ) ：包括用微机械加工工艺制作的微型电感p j 、可调电容1 9 1 、谐 振器，滤波器、波导、传输线、天线阵列与移相器等。 东南大学硕士学位论文 ( 6 ) 真空微电子器件：它是m e m s 技术、真空电子和微电子技术相结合的产物。这种技术是 利用微细加工工艺在芯片上制造集成化的微型真空电子器件结构，包括场致发射阴极阵列、阳极、 绝缘层和微腔。由于电子输运是在真空中进行的，因此开关速度极快，有很好的抗辐照能力和温度 特性。目前的器件种类包括场发射显示器、照明器件、微电子传感器等。 m e m s 有着j “阏的应用前景，它将成为本世纪重要的科技领域和主要的支柱技术之一，m e m s 的发展具有很大的市场潜力，将对社会和经济产生重大影响。目前m e m s 在小型卫星、海陆空作战 平台及信息传递、航空航天、生物医疗和医学等方面都有广泛的应用。 1 2 - 哪c a d 1 2 1m e m s 的研究概况 m e m sc a d l i o 即m e m sc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( m e m s 计算机辅助设计) ，是m e m s 设计技 术的一个重要分支。近年来由于各国政府企业和科研机构在m e m s 方面的大量投入，越来越多的 m e m s 产品已经投放市场，如微压力传感器、微加速度计等，这些产品在汽车、航空、医疗等领域 得到广泛应用j 。m e m s 器件的特征尺寸为微米甚至纳米级，很多微观世界的物理规律和宏观世 界有很大不同，针对微观世界的研究还远不能满足当前的需求，在m e m s 的设计和制造方面还存 在很多复杂的、没有很好解决的问题”“。 m e m s 器件除了包括电路部分外还有微机械结构，因此m e m s 产品的设计不仅涉及电子学方面 的知识。还涉及力学、流体力学、热学、电学和电磁学等多学科的交叉问题，单纯针对电子或者机 械领域的c a d 软件远远不能满足m e m s 设计的要求。目前，在m e m s 产品的设计开发过程中，已 经有了很多软件辅助设计1 ：具，比较有代表性的有：美国麻省理工学院( m i t ) 和微观世界公司 ( m i c r o c o s m ) 开发的m e m s - c a d ，密歇根大学开发的c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r ) m e m s ， i n t e l l i s e n s e 公司开发的i n t e l l ic a d ，瑞士联邦技术研究所开发的s o l i d i s 和美国c o v e n t o r 公司的 c o v e n t o r w a r e 等系统。 1 2 2m e m sc a d 设计的意义 由于m e m s 设计的复杂性，设计人员在进行系统设计时，通常希望在试制之前能够在计算机上 先进行虚拟样机的结构设计，能对m e m s 的各种参数进行优化，对其性能进行分析和计算，在设计 阶段就能够对各种设计方案进行分析、优化和验证。这就体现了m e m sc a d 技术的意义所在： ( 1 ) 优化m e m s 结构与性能； ( 2 ) 缩短m e m s 设计周期； ( 3 ) 模拟制造过程、降低生产成本； ( 4 ) 帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为发明新的m e m s 器件 奠定基础。 随着m e m s 技术的迅速发展，在m e m s 领域实现电子设计自动化的需求变得越来越迫切。 1 2 3m e m s 的设计原则 由于m e m s 与传统机械和微电子系统在设计、加j ：上存在很大的差别，因此，m e m sc a d 的 研究必须与此相适应，要遵循以下的一些原则： ( 1 ) m e m s 技术是多种学科相互交叉，它涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、 微热力学、材料学、物理学、生物学等，这些学科相且作用，共同构成了完整的体系，实现确定的 2 第一章绪论 功能。多能量域的耦合问题是m e m sc a d 所面临的最人挑战。 ( 2 ) m e m s 的制造目的是为了得到三维的几何结构，但一般的i c c a d 不提供自动生成三维模 型的工具。因此，作为联系掩膜、丁：艺和三维模型的桥梁，结构仿真器是m e m sc a d 所必须的。 ( 3 ) m e m s 的制造过程不仅会改变结构的几何轮廓，还会改变材料的性质，这将影响结构的 电子和机械特性。因此，m e m sc a d 必须建立相麻的材料特性数据库，并且可以根据艺流程自动 地将材料特性插人三维几何模型中。 ( 4 ) m e m s 器件在几何上是复杂的三维结构，在物理上各种能量域相互藕合。计算中不仅要 进行结构内部的餐化分析，还要进行结构外部的各种场的分析( 如电场、流场等) 。这些分析的计算 量大，不仅耗时长，而且要求有较大的内存。因此，m e m sc a d 需要以快速有效的算法为基础。 1 2 4m e m sc a d 目前面临的困难 和成熟的i cc a d 相比，m e m s 设计非常复杂而艰难，这主要是由于： ( 1 ) m e m s 涉及多种学科和多个能域，因此要求具备很宽的知识基础； ( 2 ) m e m s 所涉及的微观领域，有许多规律与现象还不被人们了解和认识，即基础理论不充 分； ( 3 ) 微机械种类很多，即使在同一类中，其结构、功能也千差万别，因此很难用统一的模式来 规范其设计。 m e m sc a d 技术的意义表现在： ( i ) 优化m e m s 结构与性能； ( 2 ) 缩短m e m s 设计周期； ( 3 ) 模拟制造过程、降低生产成本； ( 4 ) 帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为发明新的m e m s 器件 奠定基础。 如今大多数的m e m sc a d 都是采用了精确的数值求解器，这样不仅耗费时间而且占用大餐资 源，尤其是不适合丁二系统级的分析。在系统级设计中必须采_ l j 与电系统描述和分析相类似的技术与 方法。 1 3k i l l s 设计方法 m e m s 设计方法是指导设计的基本思想方法，在整个m e m s 系统的设计和优化过程中具有相当 重要的作用。对m e m s 器件来说，其工作原理包含了多种能量的耦合。例如微执行器把电能( 或热 能等) 转变为机械动作，而微传感器则是把非电信号( 机械、热、磁等) 转变为电信号。由于能量 的耦合及复杂的运动过程，很难用解析式表达。因此在分析器件的性能时一般都_ i j 到数值分析的方 法( 如有限元f e m ，边界元b e m 或有限差分等) 。 另一方面，以上数值分析软件主要针对的是单个m e m s 器件的设计与优化，并不能从整个系统 性能出发，对包含m e m s 器件和电路的系统进行性能模拟与考虑。为了优化系统性能，缩短设计周 期，进行m e m s 设计方法的研究尤为重要。 m e m s 设计主要包括有以下四个设计层次：系统级设计、器件级设计、工艺设计及版图设计。 1 3 1 系统级设计 由于m e m s 器件自身的复杂性，在系统设计中很难进行一致性分析与模拟，有必要将m e m s 器件复杂的多能量域物理模型转换为相对简单的动态模型，并将这些动态模型应用于系统级的模拟。 m e m s 器件涉及多个能量域，设计过程也比较复杂，一般可以分为自项向下( t o d o w n ) 和自底 3 东南人学硕士学位论文 向上( b o t t o m - u p ) 两种方式，目前研究比较多的是前者，图1 - 2 给出了其一般设计流程。系统级设 计主要是面向整体系统的，它是从整体系统性能要求出发，将系统性能逐级分解为m e m s 器件性能 和电路性能，这种方法就是自顶而f 设计方法。 1 3 2 器件级设计 图i - 2m e m s 系统白顶向下设计流程 器件级设计主要是面向器件结构与性能的。由于m e m s 器件所存在的多种能鼍的耦合，以及 m e m s 器件行为大多是采用偏微分( 或是常微分) 方程表达，因此，分析软件通常是采用数值的方 法( 有限元f e m 、边界元b e m 或有限差分) 来分析器件的性能。目前已有一些软件可以解决部分 m e m s 器件的设计问题，如i n t e l l i s u i t e 、a n s y s 等。但数值分析方法有几个重要缺点，它的计算时 间较长，会占用大量的计算机资源；且很难优化器件性能，不适宜做高级的设计和优化；而且在强 耦合的情况下，计算难以收敛；它与系统级分析兼容性差。 1 3 3 工艺设计 m e m s 技术的发展是随硅机械加工技术的进步而不断发展的，因此在m e m s 设计过程中需要 解决工艺设计的问题。 m e m s 工艺技术常被称为微米一纳米技术，实际上，目前m e m s 涉及的一般是由毫米到微米 尺寸的加i 亡。m e m s 工艺技术主要包括硅微加1 ：技术、l i g a 技术、超精密加工技术和集成组装技 术等几个方面。其中，硅微加 ：技术是从辞微电子，l j 艺技术发展而来的，又称为硅基微机械加工， 它是m e m s 技术的主流和发展方向。l i g a 技术和超精密加上技术是独立于硅微加工技术的新技术， 称为非硅基微加工技术。 硅基微加工技术起源于微电子1 = 艺技术，并以微电子工艺技术为其基础和主体。除了i c 常用的 薄膜技术、光刻技术、刻蚀技术等外，硅基微加上技术还发展了体微机械加工技术和表匠微机械加 工技术。 ( 1 ) 体微机械加t = 技术1 1 6 】 体微机械加工技术是通过腐蚀的方法对衬底体硅进行加工，形成立体结构。它是以单晶硅衬底 4 第一章绪论 本身为加工对象，采用腐蚀的方法去掉单晶硅衬底上的选定区域，形成很深的坑、槽和孔，其深度 可达几十甚至几百微米，所形成结构的纵向尺寸与横向尺寸可以比拟。所以体微加i ：技术是一种三 维技术，所制作的是立体结构和器件，缺点是与集成电路= 艺的兼容性较差。 ( 2 ) 表面微机械加i ：技术”l j 7 1 表面微机械加i ：技术是在衬底石丰片的表面上进行微加r 制作，形成备种表面微结构。表面微结 构一般由多层薄膜组合而成，制作过程中通常运_ 薄膜材料的物理沉积或化学沉积形成薄膜材料层， 以“牺牲层”技术来制作悬空的梁、膜等结构，制作的微结构其纵向尺寸一般都在微米量级。表面 微机械技术和集成电路_ 1 ：艺具有较好的兼容性。 ( 3 ) 晶片键合”o 键合在微机械加工中有着广泛应用。它可以把相同的或不同的衬底、相同的或不同的元件以及 衬底和元件通过机械作用( 有时通过电作用) 永久地连结成一体。其中，硅的键合技术是m e m s 领 域中一项关键技术，可应用在微传感器、微机械器件、s o l 器件、电力电子器件以及真空微电子器 件等领域。目前，硅键合技术主要有两类：静电键合技术和硅直接键台( s d b ) 技术。 ( 4 ) l i g a 技术” l i g a 工艺是由德国卡尔斯鲁厄的w e h r f e l d 等人开发的。主要包括光刻、电镀和去除三个过程， 是一种通过x 射线深层光刻电铸成型注模复制技术。这种技术可制造出深宽比非常高的金属结构， 是一种基于模板引导电镀的微制造工艺。 ( 5 ) m e m s 封装技术l l 哟 m e m s 器件由于含有各种微机械结构，并需要与包括电信号在内的各种物理量作用，所以m e m s 的封装问题比集成电路的封装更为复杂，需要根据不同器件的特点和要求来解决，应在器件设计的 时候就予以充分考虑。现在，经过不断的研究，已有多种封装形式出现，其中引人瞩目的是可以大 大降低封装成本的芯片级( s o c ) 或硅片级封装的研究。 1 3 4 版图设计 集成电路的版图设计已经较为成熟，m e m s 器件的版图可以利用集成电路已有的成熟的版图设 计工具，按照版图设计规则和相关上艺要求进行来设计和完成。 1 3 5m e m s 设计方法的重要性 m e m s 技术是一种典犁的多种学科相互交义的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学 的所有领域，如电子学、机械学、动力学、流体学、热力学、材料学、物理学、生物学等，这些学 科相互作用，共同构成了完整的体系，实现确定的功能。因此，在进行m e m s 设计时必须考虑到多 能量域耦合的复杂性。 耦合问题是混合能量域必须解决的一个问题。不同能域问的耦合常常需要用到混合技术的模拟 器。现在已有的一些软件如a n s y s 等大都采_ e f j 数值计算中有限元等方法来解决能量域耦合问题， 这样虽然能得到比较精确的模拟结果，但是其模拟速度很慢，且占用了大量的计算机资源，这些是 m e m s 设计方法需要解决的问题，通过研究获得较为理想的快速解决设计问题的途径。 1 3 6m e m s 的系统级模拟 系统仿真是m e m s 分析与设计的独特要求，也是m e m sc a d 设计要实现的目标。对于同时具 有多个m e m s 器件和外部处理电路的系统进行系统级模拟能大大降低成本，提高系统设计的进度， 缩短设计周期。 当今技术的发展要求设计者必须考虑微系统中的m e m s 设计，即集成了微传感器、信号处理电 5 东南大学硕十学位论文 路和微执行器的设计，这就需要进行m e m s 设计方法与设计技术的研究，m e m s 器件的系统级模 拟已经成为研究的一个重要部分口u j ”。但是m e m s 器件与电路中的器件单元存在较大差异，不能用 集成系统设计的常用软件( 如s p i c e ) 进行一致性描述和系统级模拟，这增加了系统设计难度。为 了解决这一系统设计瓶颈，人们展开了一系列探索和研究，建立m e m s 器件的宏模型成为解决矛盾 的重要方法之一“。系统级模拟的首要任务是建立m e m s 器件的宏模型1 2 3 。图1 3 是一个采用等效 电路宏模型的系统分级示意图1 2 2 1 。 翻1 3 采用等效电路宏模型的系统分级示意图 1 4l 潍；器件的综合和优化 1 4 1 综合概述 目前，大多数的m e m s 设计主要还是依靠手工设计和优化，对设计者的知识与专业设计水平要 求较高，且在对设计方案进行优化参数方面存在凼难。i c 设计自动化的成功实现为我们设计m e m s 器件提供了很好的参考和借鉴。m e m s 器件综合还是一个成长的新兴领域。 1 4 2m e m s 综合 m e m s 综合和优化的目标就是帮助工程师们根据功能描述，也就是设计者给出的功能设计要求， 并且在给出的约束条件下，利用综合和优化工具导出一种或数种快速、优化的配置。 图l _ 4 给出了m e m s 综合的具体过程。首先选取设计结构，对结构采用等效电路类比的方法进 行宏模型描述“，并使用s p i c e 软件进行系统模拟，再对模拟结果进行提取参数、指标比较、判断 精度，精度不符合要求的则对结构参数进行优化，并修改其对应的s p i c e 网表，直至得到满足要求 的结构参数。 6 第一章绪论 图i - 4m e m s 综合流程图 m e m s 综合的意义就是要实现m e m s 设计的自动化，缩短设计周期，并使得非m e m s 专业人 士也能设计制造m e m s 器件。综合方法与综合工具对于m e m s 器件与设计就像i c 领域中的e d a 对于集成电路一样具有革命性意义。 1 4 3m e m s 综合的发展 通过对m e m s 综合的初步探索，我们知道单个器件综合设计包括器件综合和， 艺设计综合两个 阶段，而m e m s 综合的最高目标是要达i m e m s 的系统综合，而不是仅仅实现单个器件的设计综合， 因此还必须要考虑整个m e m s 系统中各个部分之间的相互作| e i j 和耦含效应，以及信号处理与控制电 路部分。 目前，m e m s 综合的方法主要有三种：m o g a ( m u l t i o b i e c t i v e g e n e t i c a l g o r i t h m ) 多目标基因 算法i “j 口”、s a ( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) 模拟退火算法1 2 4 1 和定制方法 z o l 。 由于m e m s 器件结构和制造工艺的特点，m e m s 系统综合要考虑的因素较多，而且还必须具备 完备的m e m s 器件单元库，冈此要完全实现m e m s 系统综合，还需要走一段较长的路，但m e m s 系 统综合是m e m s 设计的必然趋势。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要研究了m e m s 器件结构参数的综合与优化，设计了结构参数自动优化的算法以及软 件界面的生成。在第二章中主要介绍了m e m s 器件宏模型的建立方法。第三五章介绍了论文的研 究工作与取得的进展，第三章具体阐述了m e m s 器件结构参数优化的方法，文中对自动优化的流程 及其算法作了详细介绍；第四章分别给出了分布参数的悬臂粱、捌支梁和梳状谐振器结构的结构参 数优化的进程，并首次提出了四边同定矩形膜的结构参数的自动优化思想，给出优化结果，并进行 了系统级的模拟和验证；第五章采用自编写软件建立了基本的m e m s 器件优化算法的接口，实现了 基本器件结构参数的自动优化：第八章是结束语，对全文进行了总结，指出论文工作中需要深入研 究的部分并对以后的研究一j ：作提出了几点建议。 7 东南大学硕士学位论文 1 6 本章小结 自8 0 年代以来，我国对m e m s 领域投入的力度逐年在加大，大量资金和研究人员流向这一领 域，虽然目前大多数还处于科研和实验室的阶段，但大家都已经意识到m e m s 技术是工业化国家发 展的关键技术，m e m s 技术的产业化也网此显得格外的紧迫和重要。而设计开发能力和m e m sc a d 是m e m s 实现产业化的基础，一个高度集成的环境和流畅合理的流程也是设计开发能力强有力的保 证，因此，要加快m e m s 技术产业化的步伐，完成m e m s 综合，完善m e m sc a d ，实现m e m s 设计、优化的自动化就显得尤为刻不容缓。 8 第一二章m e m s 器件宏模型的建立方法 第二章m e m s 器件宏模型的建立方法 虽然建立m e m s 器件的等效电路不是本论文的主要_ i = 作，但是优化设计是建立在已有的设计之 上的，因此，在进行设计优化前，必须首先选取待优化器件的基本拓扑结构并根据对戍器件的等效 电路宏模型的形式，确定初步的参数与优化目标。本章简单的介绍一下m e m s 器件宏模型的建立方 法一等效电路类比方法。 m e m s 器件与电路中的器件单元有着较大的差异，不能在集成系统设计方面常用软件( 如 s p i c e ) 中进行一致性的描述和系统级的模拟，解决这一矛盾的重要方法之一就是建立m e m s 器件 的宏模型i l j 。宏模型是为了系统级模拟而建立的器件简化模型。为了保证系统模拟过程的速度和正 确性，这种模型对器件模型的自由度进行了降阶，因此又称为降阶模型1 2 1 ( r e d u c e do r d e rm o d e l ) 。 建立宏模型的方法主要有两种： 一种是硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e sh d l ) 描述 方法p j ，另一种是等效电路类比的方法”j 。 2 1 硬件描述语言方法 支持m e m s 行为描述的硬件描述语言主要包括v h d l a m s 、m a s t 语言、v e r i l o g - a 语言等【3 1 【”， 它们都能对器件的行为进行描述，并利用相应的模拟器进行求解。这种硬件语言描述的宏模型也可 以与c a d e n c es p e c t r e 、s a b e r 等无缝连接实现系统级模拟。它的优点是通用性较好，可以进行大信号 分析以及对复杂结构器件的分析。 2 2 等效电路的方法 等效电路模型是一种常月j 的m e m s 宏模型，其建模原则是：采用等效的电路结构和变量代替 除电最外其它能晕域的结构和变量。在等效电路类比方法中可分为力与电压( f v ) 类比