（微电子学与固体电子学专业论文）mems设计软件架构和模块集成.pdf

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：盎塞：乏日期：三坐圭型 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：塞鲎：乏导师签名： 日期：兰型! ：圭型 摘要 摘要 随着m e m s 技术的迅速发展，m e m s 器件的应用领域不断扩大，这就对m e m sc a d 软件的性能提出了更高的要求。一方面，m e m s 器件的多样化要求m e m sc a d 系统具有更 多的设计功能，设计工具日益庞大化；另一方面，不同m e m s 器件的功能、原理、形式各 异，要求m e m s 设计工具能够提供多样化的设计流程。 本论文提出了一种新的m e m sc a d 软件架构，采用模块化的软件设计思想，把m e m s 设计过程划分为一些不同的设计功能，对每种功能分别用独立的模块来实现；采用框架管理 系统来实现对各个模块的管理，框架管理系统通过调用相关的软件模块来完成m e m s 设计 过程：将设计中产生的中间数据从程序中独立出来，现实数据库管理，模块之间的数据传递 均通过数据库来实现。这样的架构有利于实现多样化的m e m s 设计流程，同时也便于软件 功能的扩展和升级。 围绕着这一主要工作，本论文在实验室原有工作的基础上，首先对m e m sc a d 软件系 统做了功能划分，将软件原有的设计功能划分为版图解析、三维结构生成、节点单元划分和 初始网表生成等独立的功能，并分别建立软件模块实现了各部分功能的独立运行。 开发了软件的框架管理系统，在框架中实现了各个功能模块的调用接口，软件框架通过 对不同模块的调用来实现灵活的设计流程，完成m e m s 的设计。框架中还实现了对第三方 软件的动态加载功能，便于软件功能的扩展 在软件对数据的管理上，采用数据与功能模块相分离的方法，将m e m s 设计中产生的 各种中间数据从程序提取出来，实现数据在数据仓库中的存储。为每一种数据的存储格式定 义标准，并参照数据的存储格式开发数据接口实现软件对数据的读写操作。 另外，本论文还开发了网表转化规则的生成模块，通过鼠标交互方式开发了伪元件的生 成方法，并通过对话框界面对数据库中数据的调用，实现了用户定义的伪元件与单元库中宏 模型的关联，并最终通过对伪元件的连接输出网表转化文件。 关键词：m e m sc a d ；软件架构；模块化；设计流程；数据接口 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n so fm e m sd e v i c eh a sb e e n e x p a n d i n g , w h i c hh a sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t so n t h ep e r f o r m a n c eo fm e m sc a d s o f t w a r e o nt h eo n eh a n d ，v a r i e t yo fd e v i c e sd e m a n d sm o r ed e s i g nf e a t u r e so fm e m sc a d s y s t e m d e s i g nt o o l si n c r e a s i n g l ye n l a r g e o nt h eo t h e rh a n d ，m e m sd e v i c e s w i t hd i f f e r e n t f u n c t i o n s ，p r i n c i p l e sa n dd i f f e r e n tf o r m sr e q u i r em e m sd e s i g nt o o l sc a np r o v i d eav a r i e t yo f d e s i g np r o c e s s e s t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e m sc a ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e m o d u l a rd e s i g ni sa d o p t e di n t h es o f t w a r es y s t e m n l em e m sd e s i g np r o c e s si sd i v i d e di n t oan u m b e ro fd i f f e r e n td e s i g n f e a t u r e s e a c hf e a t u r ew i t hi n d e p e n d e n tm o d u l e si sa c h i e v e d af r a m e w o r ki sd e v e l o p e da sa m a n a g e m e n ts y s t e mo fv a r i o u sm o d u l e s t h ef r a m e w o r kc o m p l e t e st h ed e s i g np r o c e s so fm e m s b yc a l l i n gt h er e l e v a n ts o f t w a r em o d u l e s t h eg e n e r a t e dd a t au s e di nt h ed e s i g np r o c e s si s m a n a g e db yad a t a b a s e a sa ni n t e r m e d i a r y , t h ed a t a b a s ei su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o na m o n g m o d u l e s s u c haf r a m e w o r ki sh e l p f u lt oa c h i e v ead i v e r s ep r o c e s s ，a n df a c i l i t a t et h ee x p a n s i o n a n du p g r a d i n go fs o f t w a r ef e a t u r e s f i r s t l y , t h ed e s i g nf e a t u r e so fm e m s c a ds o f t w a r es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ei n d e p e n d e n t f u n c t i o n s t h e ya r et h eo r i g i n a lm a pr e s o l u t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r ef o r m a t i o n ，a n dn e t l i s t g e n e r a t i o n s o r w a r em o d u l e sa r ee s t a b l i s h e df o re a c ho ft h ef u n c t i o n as o f t w a r ef r a m e w o r ki sd e v e l o p e dt om a n a g et h es y s t e m t h ef r a m e w o r ka c h i e v e sf l e x i b l e d e s i g np r o c e s sb yc a l l i n gd i f f e r e n tm o d u l e s f r a m e w o r ka l s oe n a b l e st h i r d p a r t ys o f t w a r eo nt h e d y n a m i cl o a d i n g , w h i c hm a k e st h ee x t e n s i o no f t h es o f t w a r ef u n c t i o n a l i t ye a s i e r i nt h en e ws o f t w a r es y s t e m ，t h ed a t ai ss e p a r a t e df r o ms o f t w a r ep r o g r a m i n t e r m e d i a t ed a t a g e n e r a t e di nt h em e m sd e s i g ni s s t o r e di nt h ed a t aw a r e h o u s e s t o r a g ef o r m a ts t a n d a r di s d e f i n i t i o nf o re a c ho fad a t a r e f e rt ot h ed a t af o r m a t s o f t w a r ei n t e r f a c ef o rd a t ar e a d i n ga n d w r i t i n gi sd e v e l o p e d i na d d i t i o n , as o f t w a r em o d u l ei sd e v e l o p e dt og e n e r a t et h er u l ef i l ef o rn e t l i s tt r a n s f o r m a t i o n u s e r so f t h es o f t w a r ec a r ld e f i n ep s e u d o e l e m e n t sb yt h em o u s ei n t e r a c t i v e l y , a n dg e tt h ea s s o c i a t e m a c r om o d e lb yt h ed i a l o gi n t e r f a c e f i n a l l y , b yc o n n e c t i n gt h eo u t p u to ft h ep s e u d o - e l e m e n t s ， n e t l i s tf i l ec a nb eo u t p u t k e y w o r d s ：m e m sc a d ；s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ；m o d u l a r ；d e s i g np r o c e s s ；d a t ai n t e r f a c e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 微电子机械系统和m e m sc a d 1 1 1 1m e m s 设计的特点1 1 1 2m e m s 设计的几个层次2 1 2 节点法原理3 1 2 1 研究对象和方法3 1 2 2 基本单元及建模方法4 1 2 3 节点设计方法与有限元方法4 1 2 4 节点分析设计法的特点5 1 3m e m s 节点法工具研究现状6 1 4 本论文的主要工作6 第二章基于节点法的m e m s 软件架构设计8 2 1 基于节点法的等效电路模型简介8 2 2 本论文的m e m sc a d 软件系统8 2 3c a d 软件架构模型1 0 2 3 1 软件架构及其意义10 2 3 2 软件架构建模。l l 2 3 本章小结1 4 第三章软件框架体系的设计一15 3 1 基于现有功能的c a d 软件模块划分1 6 3 1 1 标准版图解析1 6 3 1 2 三维结构生成17 3 1 3 节点单元划分与初始网表生成1 8 3 2 软件框架的建立2 0 3 2 1 框架对模块的管理一2 0 3 2 2 框架的动态加载功能2 l 3 3 本章小结2 2 第四章软件对数据的管理。2 3 4 1 数据与程序相分离的设计方法2 3 4 2 软件框架对数据的管理2 4 4 2 1 数据的文件管理方法2 4 4 2 2s q ls e r v e r 数据库对数据的管理2 9 4 3 本章小结3 2 第五章伪元件的应用及网表的自动生成方法。3 3 5 1m e m s 设计中伪元件的应用3 3 5 1 1 复杂器件的伪元件划分方法3 3 5 1 2 伪元件的建模和管理3 4 5 2 网表转化方法。3 6 i i i 5 3 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 系统级设计4 9 6 4 1 网表转化文件的获得5 0 6 4 2 网表转化和最终网表生成。5l 6 4 3 网表优化。5 2 6 5 软件的动态加载功能5 4 6 6 本章小结。5 5 第七章结束语5 6 7 1 本论文主要工作总结。5 6 7 2 存在的主要问题5 6 参考文献5 7 至定谢6 0 攻读硕士期间发表论文6 l i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微电子机械系统和l v l e m sc a d 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 ) 技术是随着i c 微细加工技术和超精密机械 加工技术的发展而发展起来的，是将微电子和微机械加工技术融为一体的系统。它主要用于 制造由电子部件和机械部件组成的小型集成器件或系统。这些小型的集成器件或系统的尺度 多在微米量级，具有传感、控制和驱动的功能。从广义上讲，m e m s 是集各种传感器、控 制器、执行器、信号处理、控制电路和接口单元于一体，具有信息采集、处理和执行功能， 是一种智能化的微型光机电一体化系纠卜2 】。 随着微电子机械系统尺寸的缩小和集成化程度的提高，加工工序不断增多且成本提高。 显然，对于一个如此复杂的系统，如果继续按照传统的制造来验证设计的模式进行研制是不 可行的i 引。首先，制造、试验花费时间长，费用高；其次，所需测试设备一般都很复杂，价 格昂贵；再则，大多数m e m s 器件是非线性的，涉及到复杂的多能量域耦合问题【4 1 。因此， 这些因素使得人们对m e m s 进行计算机辅助设计( m e m sc a d ) 的要求越来越迫切。 i i 1m e m s 设计的特点 与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m e m s 器件的结构和制造 工艺特点，使得m e m s 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f 7 l ： ( 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，晶体内部的缺陷减少，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，对m e m s 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m e m s 器件的研制中，大量使用光刻腐蚀、离子加工、离子 注人等微电子加工技术。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 算机辅助设计系统只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m e m s 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m e m s 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。 ( 3 ) m e m s 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、仿真方祛。 目前，许多大学和公司已经意识到m e m s 建模与仿真的重要性，纷纷投入这方面的研 究，开发出多种m sc a d 工具。如美国c o v e n t o r 公司的c o v e n t o r w a r e 软件【8 】，i n t e l l i s e n s e 、 加州大学伯克利分校的s u g a r 9 - 1 0 】以及e t h z 的s o l i d s 1 1 】等。 东南大学硕士学位论文 1 1 2m e m s 设计的几个层次 m e m s 器件涉及多个能量域，设计过程也比较复杂，一般可以分为自顶向下( t o p - d o w n ) 和自底l 匈k ( 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 - 1 给出了其一般的设计流 程1 2 。1 引。根据处理对象的不同可大致将建模过程分为4 个层次，分别是系统级设计、器件级 设计、工艺设计及版图设计。 图1 - 1m e m s 系统自顶向下设计流程 ( 1 ) 系统级设计 系统级设计主要是面向整个系统的，设计者根据具体功能需求设计出产品概念模型后， 即可进行初步的系统方案设计。然后根据系统方案设计结果，先进行功能仿真，在仿真结果 满足要求的情况下将系统性能逐级分解为m e m s 器件性能和电路性能。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，并将动态模型应用于系统级的模拟n 胡。 ( 2 ) 器件级设计 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量的耦合， 并且m e m s 器件行为大多采用偏微分( 或是常微分) 方程表达，因此，分析软件通常使用 有限元方法或者有限差分方法来分析器件的性能。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。有限元方法具有精度高的优点，但是该方法也 存在几个致命的缺点，一是计算时间较长，会占用大量的计算机资源；二是无法对器件性能 进行优化，因此不适宜做高级的设计和优化；三是在强耦合的情况下，计算无法收敛；四是 它与系统级分析的兼容性较差。 ( 3 ) 工艺设计 m e m s 器件的设计跟制造工艺联系的非常紧密，对于设计者来说，仅仅根据自己的经验来 确定器件的制造工艺是一件非常困难的事情：一方面，目前m e m s = 维结构的微制造方法主要 是基于硅微加工工艺的体硅腐蚀方法，比微电子表面工艺复杂，加工过程及结果受很多外界 2 第一章绪论 条件的影响；另一方面，有些三维结构采用硅腐蚀工艺无法完成，为了解决这一问题，很多 研究人员在不断寻求加工m e m s 三维结构的新工艺和新方法，使得微结构制造工艺的可选择性 逐步扩大。目前主要用到的i e m s 工艺技术主要有：体微机械加工技术、表面微机械加工技术、 品片键合、l i g a 技术、m e m s 封装技术等u 引。 ( 4 ) 版图设计 掩膜版图设计是将逻辑设计转换成物理几何表示的一个过程，它包括版图布局规划、布 置布线以及版图后处理与版图数据输出几个主要阶段。版图设计的实现有很多种，基于标准 单元的设计方法因高效且可靠的特点成为目前业界最流行的模式。在m e m s 器件的设计中 掩膜版图设计可以简单的理解为设计器件在x y 平面上的结构和布局。 1 2 节点法原理 传统的分析软件多采用基于网格划分的数值解析方法来分析器件的性能。数值解析方法 具有精度高、通用性强等优点，但同时也存在以下一些缺点： 对使用者要求高，建模过程复杂烦琐； 网格划分后单元数很多、仿真速度慢、消耗大量计算机资源； 对于强耦合问题，计算难以收敛； 与系统级分析兼容性差。 为了克服数值求解方法缺点，从上世纪9 0 年代开始，国外许多大学和研究机构都相继 开始了对m e , m s 节点设计方法的研究。在节点法设计中，m e m s 结构可以作为单元库中的 某一单元存在，也可以将其细分，把结构拆分为一个个基本单元。设计时，将这些基本单元 相互搭配，调整其参数，既可以实现自动设计，也可以实现从原理图与实际结构之间的自动 转换。节点化模型作为集总参数模型，可以通过节点参量单元内所有的分布特性进行描述， 并且捕获m e m s 系统组件的基本行为，从而实现快速计算并方便插入到系统级电路仿真器 中进行求解。 1 2 1 研究对象和方法 m e m s 中的悬挂结构( 即结构悬挂于牺牲层之上，只有部分结构和锚区相连的结构) ， 一般都可以分解为各个层次化的单元，如图1 2 所示【1 8 1 ，m e m s 的机械结构有和电路部分 类似的层次划分。这些结构可以分解为一些低层次的功能模块：质量块、折叠梁和静电梳齿。 这些功能模块又可以分解成为：锚区、梁、平板和静电隙。类似的分解方式可以使用在很多 悬挂结构的m e m s 器件中，如：加速度计、陀螺仪和带通滤波器等等。 图1 - 2 梳齿谐振器的层次化抽象 3 东南大学硕士学位论文 节点分析设计方法中的这些基本单元是可以重复利用的，这样就不必针对每一个分解出 来的单元重复建模，从而可以大大提高建模的效率。但同一种单元在不同的结构中可能材料 不一样、几何尺寸不同，所以要让这些基本单元能够重复利用，这些单元必须是参数化的， 只需修改参数就可以让这些单元适应大部分情况。 1 2 2 基本单元及建模方法 针对m e m s 器件的特点，机电耦合的m e m s 系统分为梁、平板质量块、静电间隙和叉 指、连接点以及锚等基本元件i l 引。以理想的锚区为例，锚区是悬挂结构和衬底的连接点。 不管外加的力和力矩如何，连接点的位移为始终为0 。具体的实现中可以把x 、y 方向位移 和连接点的旋转角度短路到地，如图1 3 所示。而且因为锚区和衬底都是固定连接的，不存 在相对位移，所以这个单元和衬底处于同一坐标系中。另外，需要注意的是，锚区因为其固 定的性质，所以可以作为机械参考点，但是却不能作为电域的参考点，这样不同锚区施加的 电压可以不一样。 图l - 3 锚区的节点分析表示方法 其它的节点单元可以运用材料力学和结构力学的方法，建立其集总参数的解析模型，详 细方法可以参考文献【2 0 】。 1 2 3 节点设计方法与有限元方法 节点分析设计法与有限元方法并非是同一个层次的方法，但是这二者有着内在的联系， 如图1 4 所示。 4 第一章绪论 十卜点 ( a ) 节点法( “线性”单元) 了点 ( b ) 有限元法( 三维单元) 图l - 4 节点法与有限元法的比较 节点设计法将元件看作一个整体，考虑的只是两个端点。不难发现，节点设计法实质是 简化了的有限元方法，因此不能模拟复杂的结构和现象。例如在梁内部，只能考虑在梁的长 度方向上应力、应变和位移的分布，对于在梁的宽度和厚度方向上参数的分布都加以忽略。 比如，对于施加在梁两端的弯矩，仅仅作为集总的载荷来考虑，对于施加弯矩的细节不加考 虑。利用圣维南原理，如果梁的长度比较长，则这样的细节是完全可以忽略的，对计算结果 并没有太大的影响。如果把有限元的节点数减少，同时用一定的方法保证计算精度，当节点 少到和单元的节点相同时，二者就非常相似了。目前，对于大变形梁单元的处理，一般都是 把一根梁分解成数个小梁相互连接，这样就增加了很多节点，这时的节点分析方法就非常类 似于有限元方法。 1 2 4 节点分析设计法的特点 节点分析设计方法是一种层次化、结构化和参数化的分析设计方法，这使它具有以下优 点： ( 1 ) 所有元件都是端口元件，功能模块也是以端口的形式和其它元件相连，这样很容 易实现自顶向下的结构化和层次化设计。 ( 2 ) 系统是通过结点的连接关系建立起来的，建模很方便。尤其是具有图形化设计界 面的原理图设计工具使得这种结点式设计方式更为方便。 ( 3 ) 端口元件都是参数化的元件，重用性好，修改容易，缩短了建模验证修改的设 计周期。 节点分析法有利于系统设计和版图设计这两个不同设计层次间相互转换，这也是节点分 析法设计很具吸引力的一点。集成电路设计的高度自动化，有一个很重要的原因就是集成电 路各个设计层次的转换都实现了自动化。上层设计转换成下层设计是出于制造的需要，而从 下往上转换则是为了验证转换的正确性，确保设计的初衷被正确地实现。 但是节点分析设计方法本质上是一种集总化的方法，对于分布载荷问题无能为力，例如 带有分布载荷的梁，热分布问题等等。对于阻尼这样的分布问题，一般利用形函数将其集总 化：对于热分布，一般使用有限元或者有限差分一类的数值方法构建梁模型，这种方法计算 5 东南大学硕士学位论文 效率低，而且并非参数化模型，因而不适于系统级仿真。 1 3m e m s 节点法工具研究现状 目前，研究和开发基于节点法的m e m s 设计工具比较具有典型性的代表是美国 c a r n e g i em e l l o n 大学和美国u cb e r k e l e y 大学，下面就他们的研究进展和各自所实现的节点 法设计系统分别进行简单介绍。 c a r n e g i em e l l o n 大学于1 9 9 7 年确定了以节点单元为基础的m e m s 器件设计方法。1 9 9 8 年发表有关节点分析法的技术报告i l s ，这一报告标志着节点分析法研究方向的正式确立。 其已经确立的模型单元包括：梁、质量块、连接体、锚区、静电隙、梳齿、阻尼单元等。 c a r n e g i em e l l o n 大学的计算平台为s a b e r ，其仿真平台命名为n o d a s ( n o d a ld e s i g n so f a c t u a t o r sa n ds e n s o r s ) 。通过输入使用类似于电路原理图的方式，使各个单元符号相互连接 构成一个统一的m e m s 器件。随着n o d a s 的发展，其模型中考虑的非线性二级效应类型 不断增加，例如，考虑了梁的大变形效应和梁的长度变化效应等等。同时单元库中单元的种 类也在增加，目前已经包括除电磁以外的大部分基本单元模型。n o d a s 的最新版本为1 4 版，这个版本减少了内部节点的数量，同时简化了输入拓扑结构的计算，从而明显提高了仿 真速度。 u cb e r k e l e y 大学于1 9 9 8 年开始m e m s 节点设计方法的研究，选择计算平台为 m a t l a b ，并于同年推出节点法仿真平台，命名为s u g a r ，版本为0 5 版，并选择了一种类 似于s p i c e 网表语言的输入接口。这个版本重在推出m e m s 节点分析法的概念，其能力还 非常弱，仅能够仿真平面内运动的静电执行器件。经过将近一年的完善，s u g a r 平台正式推 出1 0 版，1 0 版在0 5 版的基础上完善了很多功能，比如引入了多能域仿真，可以仿真三维 结构，并支持参考坐标系本身作惯性运动，以适应陀螺仪、加速度计等惯性器件的仿真，仿 真类型包括静态、模态、瞬态仿真。此后s u g a r 不断改进，不仅引入了各种非线性效应，使 仿真结果精度更高，而且显示效果也得到改善。2 0 0 1 年开始，s u g a r 研究小组开始了基于节 点单元的m e m s 器件综合的研究，同年发表研究成果。s u g a r 软件的最新版本为3 1 版， 目前其模型使用m a t l a b 语言和c 语言，并将在将来支持更多的语言。这个版本可以仿真 更多的二级效应，因而结果更加准确。 1 4 本论文的主要工作 本论文在实验室m e m sc a d 软件系统的基础上，提出了一种新的软件架构设计。该 架构采用模块化的软件开发方法，对于m e m s 设计中每一层面的功能，通过相对独立软件 模块来实现，避免各部分功能的直接关联。将m e m s 设计中用到的数据从程序中分离出来， 建立数据库来存储数据。通过一管理组件实现对软件模块和数据的管理 围绕这样的软件架构，本论文主要展开了以下工作：对软件的设计功能做了划分，提 取出各部分功能相关的程序，实现软件功能的模块化；开发了软件框架管理系统。实现了对 软件模块的统一管理，并协调m e m s 的设计流程。为m e m s 设计中用到的各种数据，包括 公共数据及中间数据建立数据库，定义数据的存储标准；在软件中开发数据接口，实现软件 模块对数据的存取功能。 另外，本论文还开发了对通用网表规则的软件实现，用户可以在软件界面上选定m e m s 器件的基本单元，并将其与单元库中的宏模型实现关联，给出各个宏模型电路接口的连接关 系，即可以由程序自动产生网表转化规则的描述文件。提高了软件设计流程的自动化程度。 第二章介绍了本软件基于节点法等效电路模型的系统结构，并利用u m l 的5 种基本符 6 第一章绪论 号对软件架构进行了建模。 第三章介绍了对原有c a d 软件系统的架构重构，对软件功能做了划分，实现了各部分 功能的模块化，并开发了软件的框架管理系统实现对软件模块的管理。 第四章介绍了软件系统中对数据的管理方法，包括数据的t x t 文件管理方法，以及采用 s q ls e r v e r 现实对部分数据的管理。 第五章引入了伪元件的概念，介绍了复杂m e m s 器件的伪元件划分和建模方法。并描 述了网表生成和转化的方法，开发了用户定义伪元件，并据此产生网表转化文件的软件功能。 第六章以梳状谐振器为例，介绍了完整的软件设计和仿真流程。 第七章是对全文的总结，指出了论文工作中目前存在的问题，并提出对未来工作的展 望。 7 东南大学硕士学位论文 第二章基于节点法的m e m s 软件架构设计 2 1 基于节点法的等效电路模型简介 节点分析方法中，可以将m e m s 中的结构分解为各个层次化的单元，并分别建立模型。 因节点单元的模型可以重复利用，大大提高建模的效率。但同一种单元在不同的结构中可能 材料不一样、几何尺寸不同，要让这些单元能够重复利用，其模型必须是参数化的，通过修 改参数就可以适应大部分情况l j j 。 等效电路模型是一种常用的m e m s 宏模型【2 。3 】，其建模原则是：采用等效的电路结构和 变量代替除电量外其它能量域的结构和变量。在等效电路类比方法中可分为力与电压( f v ) 类比和力与电流( f 1 ) 类比。 m e m s 器件等效电路宏模型的建立使得带有m e m s 器件和外围电路的系统模拟和分析 更为方便迅速，我们采用成熟的电路模拟软件s p i c e 进行微系统的整体模拟。针对单个的 m e m s 器件，可以先f v 或f i 类比的方式建立器件的等效电路模型，将得到的能代表器件 性能特性的等效电路形式进行保存，我们采用s p i c e 网表格式来描述此电路结构并模拟其 传输特性，将此格式描述保存在单元库中。在针对包含此器件和电路的整体系统模拟过程中， 可以调用此器件的库文件来替代m e m s 器件。具体的系统级模拟流程如图2 1 所示【4 】。 图2 - 1 等效电路模型的m e m s 器件系统级模拟流程 2 2 本论文的m e m sc a d 软件系统 本实验室在基于节点法和等效电路模型库的基础上，提出了与i c 设计具有一致性描述 和一致性仿真的m e m s 设计软件系统，以标准版图信息为输入接口，并选取s p i c e 作为后 续的仿真平台，在建立节点单元的等效电路宏模型后，基于s p i c e 实现这些模型的参数化 元件库，便可实现与电路的接口。模型具有很好的易用性和可移植性。 8 第二章基于节点法的m e m s 软件架构设计 图2 2 基于节点法和等效电路模型库的软件系统框架示意图 图2 2 给出了软件系统框架的的示意图，可以看出，m e m s 系统级设计工具的基本功 能组成如下： 版图读取与解释； 结合工艺信息的三维结构生成； 节点单元划分和识别； 初始网表生成； s p i c e 单元库建立； 通用网表转换规则的实现； 最终网表生成； 等效电路模拟； 动态接口。 版图读取与解释是一个和用户信息交互的过程。用户根据器件结构和工艺流程设计版 图，软件在读取这些版图数据后进行初步的处理。根据用户所选择的m e m s 器件加工流程 和参数，软件将二维版图描述的器件结构转变为三维实体图形。经过节点划分和识别，生成 包含版图器件信息的初始网表。另外根据节点法和等效电路思想，为m e m s 器件的节点单 元建立宏模型，完成器件单元库5 q 的构建。按照通用网表转换规则描述，结合初始网表和 器件单元库，生成用于s p i c e 模拟的最终网表，并通过s p i c e 完成仿真。软件的网表优化 功能，依据仿真结果和性能指标的比较进行优化迭代后修改相关参数，可以实现m e m s 器 件的最优化设计。另外软件还开发了动态接口功能，同时支持第三方软件的动态载入，实现 软件功能的扩展。 本实验室的m e m s 设计系统原理基于节点法，在后续的建模过程中，由于在s p i c e 中 建立了节点单元的等效电路宏模型，因而具备软件平台的易用性和模型的可移植性；提供了 与电路的接口，利用电路仿真软件进行仿真，便于微电子设计人员实现m e m s 及其外围电 路的协同设计和系统级仿真。 另外，本软件系统在功能和性能上还有其它一些显著的优点： 采用模块化的软件设计方法，软件的功能模块与数据相分离，并由框架管理系统对 程序统一管理： 9 东南大学硕士学位论文 完备的接口功能，不仅提供了标准版图和工艺的接口，而且提供了m e m s 器件与 i c 的一致性接口； 通过通用网表规则描述，实现了对未来新器件的模拟支持，利于器件单元库的不断 扩充； 对新功能模块和第三方软件的动态载入支持，实现软件的动态扩展。 整个软件功能完善，接口完备，实用性好，扩展功能强，可以对m e m s 器件进行设计、 分析和优化，具有实际应用价值。 2 3c a d 软件架构模型 在大规模和复杂结构的软件设计中，软件系统的质量和性能不仅仅取决于软件的实现算 法和数据结构，软件架构的设计在整个系统开发中发挥着基础性和结构化作用。软件架构的 正确设计和选择对于系统的开发、功能的实现以及软件的升级的维护都具有很大的促进作 用。 2 3 1 软件架构及其意义 软件架构一个新兴的研究领域，目前并没有一个标准的定义。l b a s s 认为计算机软件的 架构应该由软件构件、软件构件的外部可视属性和软件构件间的关系组成。该观点包含了以 下四点内涵【7 8 1 ： ( 1 ) 每一个软件系统都有自己固有的架构。 间的联系组成。 ( 2 ) 软件架构具体表述了构件间如何交互， 信息，如数据结构、算法等软件的实现方法。 每一个系统都可以看做是由构件及其相互 同时也明确忽略了构件与交互无关的内容 ( 3 ) 系统可以由多种结构组成，可以存在多种描述方法。构件及其关系也是多样化的。 构件可以是一个对象、一个进程、一个数据库、一个商业化产品或者其他。 ( 4 ) 构件的行为只要是可以被其他构件所观察或辨别，那么这种行为就参与了系统交 互。因此这种行为应该是软件架构的一个组成部分。 可见，软件架构是一个系统的基本组织，它体现在构件、构件之间的相互关系以及构件 与环境的关系中。根据对自适应软件系统的研究，软件体系结构应该包括3 个不同层次：体 系结构基本元素、体系结构基本元素的对外接口、体系结构配置及环境约束。图2 3 给出了 一个简单的过程控制的软件架构图，该架构包含了软件系统的组件划分，以及各个组件之间 的交互关系。 图2 - 3 一个简单的软件架构图 架构是软件系统的总体规划，它体现系统设计思路，对系统起着最为深远的影响。软件 1 0 第二章基于节点法的m e m s 软件架构设计 架构在明确了系统的各个组成部分的同时，也限定了各部分间的交互方式。这将进一步影响 到开发资源的配置和开发人员的任务分配和合作方式等其他方面的开发活动，并最终影响到 软件产品的质量。 2 3 2 软件架构建模 本论文的软件架构设计采用u m l 建模。u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种由 o m t ( 对象建模技术) 和o o s e ( 面向对象的软件工程) 统一而得到的符号。u m l 为广泛 的应用而设计，因此，它为较大范围的系统和活动提供结构( 例如：实时系统、分布式系统、 分析、系统设计、配置) 。系统开发集中于系统的3 个不同模型【l o 1 2 】： ( 1 ) 功能模型：在u m l 中由用例图表示，从用户的观点描述系统功能。 ( 2 ) 对象模型：在u m l 中由类图表示，以对象、属性、关系和操作形式描述系统的结 构 9 1 。 ( 3 ) 动态模型：在u m l 中由顺序图、状态图和活动图表示，描述系统的内部行为。顺 序图把行为描述为一组对象问的信息交换序列。而状态图根据单个对象的状态及状态间可能 的转换描述行为。 在建模概念中，u m l 有5 种基本符号：用例图、类图、顺序图、状态图和活动图。 ( 1 ) 用例图 一 用例在需求提出和分析中用来表示系统的功能，它是从外部的角度关注整个系统的行 为。一个用例描述系统提供的某一特定功能，而系统对外界环境产生的一个可见结果。本论 文软件架构的用例图描述如图2 - 4 所示。图中方框即为系统界限范围，而用户，开发人员和 c i f 文件、s p i c e 在系统界限范围以外。在此结构下，软件以c i f 文件和s p i c e 模拟文件 为对外接口，内部可以更好地实现模块化的框架管理，供用户实现m e m s 设计与仿真。 开 图2 - 4 本论文的软件架构用例图描述 凫户 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 类图 类图用于描述系统的结构，它是用来指定一组对象共有的结构和行为的抽象。对象是 类的实例，而实例则在系统执行过程中被创建、修改并撤销。对象具有包括其属性值及其与 其他对象的关系的状态。 图2 5 本论文的软件架构类图类图描述 在本论文研究的软件架构的类图描述中，分别包括版图信息、工艺信息、模拟结果等 多个部分，这些类多是模块的数据实现，它们是各个模块实现功能