（微电子学与固体电子学专业论文）mems系统级设计及与ic设计接口软件实现.pdf

摘要 随着m e m s 技术的发展，有限元分析越来越不能适应复杂器件设计的要求，系统级的模拟和分 析对器件的设计与优化起着越来越重要的作用。为了缩短设计周期、降低设计成本，迫切需要诞生 新的m e m s c a d 工具。 本文提出了一种基于节点法和等效电路模型库的m e m s 系统级设计软件，该软件具备i c 设计 的致性描述和一致性仿真，并且具有优秀的可扩充性。嗣绕主要工作首先构建了软件架构，建立 了框架管理系统，进而实现各功能模块的封装和管理。具体模块包括：版图解释模块，三维结构生 成和处理模块，节点单元划分模块，网表模块，动态接口模块等。 论文工作完成了标准版图c i f 格式的解释，在程序中再现m e m s 器件，结合加工工艺流程与参 数的设置，实现了从2 d 版图到3 d 立体结构的转换。提出了一种基于基于节点法和等效电路模型的 网表结构体系，该体系包括初始网表、最终网表和网表转换规则描述，可以实现对器件单元库中的 现有器件和未知的扩充器件进行s p i c e 仿真。论文实现了动态接口模块，该模块可以实现对第三方 软件的动态扩展。 论文详细介绍了版图解析模块、三维结构生成和处理模块、节点单元划分模块、网表模块、动 态接口模块等的原理和实现。并通过m e m s 器件实例介绍了软件的设计和仿真过程。 作为对一个应用型软件的设计与实现，文中还对m f c 库，相关数据结构、a p i 绘图函数、o p e n g l 函数库等进行了介绍。 本论文采用m f c 实现软件，用o p e n g l 绘制3 d 图像。 关键词：m e m sc a d ；节点法；系统级；c i f ；3 d ；网表；动态；仿真 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 , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) c a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n to fd e s i g nf o rc o m p l e xd e v i c e s t h es y s t e m l e v e ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sp l a yam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fd e v i c e s t os h r i n kt h ed e s i g nc y c l ea n dr e d u c et h ed e s i g n c o s t ，i ti su r g e n tt od e v e l o pn e wt y p e so fm e m sc a dt o o l s am e m ss y s t e m - l e v e ld e s i g nt o o lb a s e do nan o d a lm e t h o da n da ne q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e ll i b r a r yi s p r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h es y s t e ms u p p o r t st h ei n t e r f a c eb e t w e e nm e m sd e s i g na n di cd e s i g n t h es y s t e ma l s oh a v ee x c e l l e n ts c a l a b i l i t y t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r ei sf i r s tc o n s t r u c t e d t h e nt h e m a n a g e m e n tm o d u l eo fs y s t e mf r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e d ，a n dt h em o d u l e sa r et h e nd e s i g n e da n dd e b u g g e d t h es y s t e mc o n s i s t so fs e v e r a ls o f t w a r em o d u l e st h a ts u p p o r tt h ei n p u ta n de d i t o ro ft h em a s ks h a p eo f m e m sd e v i c e s ，t h ee d i t o ro fm i c r of a b r i c a t i o np r o c e s s e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，3 dm e m ss t r u c t u r e s g e n e r a t i o n ，g r a p h i c s ，m e m sc o m p o n e n te x t r a c t i o n ，n e t l i s tg e n e r a t i o n ，a u t o m a t i c a l l yo p t i m i z i n g t h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm e m sd e v i c e sa n dd y n a m i ci n t e r f a c em o d u l e t h e c i ff o r m a tl a y o u tf i l ei si n t e r p r e t e db yp r o g r a m m i n g t h e nt h e2 dc o m p u t e rg r a p h i c sa r es h o w n c o m b i n i n gw i t ht h ep r o c e s sf l o w sa n dp a r a m e t e r s ，c o n v e r s i o nf r o m2 dl a y o u tt o3 ds o l i ds t r u c t u r ei s i m p l e m e n t e d b a s e do nt h en o d a lm e t h o da n da ne q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，ak i n do fn e t l i s tc o n v e r s i o n s y s t e mi sp r e s e n t e d t h en e t l i s tc o n v e r s i o ns y s t e mi n c l u d ef i r s t n e t l i s t ，l a s t n e t l i s t ，a n dt h er u l eo ft h en e t l i s t c o n v e r s i o n t h en e t l i s tc o n v e r s i o ns y s t e ms u p p o r tt h es i m u l a t i o no ft h em e m sd e v i c e si nt h em e m s d e v i c e sl i b r a r y d y n a m i ci n t e r f a c em o d u l ew h i c hc a nl o a da no t h e rs o f t w a r ed y n a m i c a l l yi sp r e s e n t e d t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fa l lm o d u l e so ft h es o f t w a r et h a ts u p p o r tt h ei n p u ta n de d i t o ro ft h e m a s ks h a p eo fm e m sd e v i c e s ，t h ee d i t o ro fm i c r of a b r i c a t i o np r o c e s s e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，3 - d m e m ss 仃u c t i l ：r e sg e n e r a t i o n ，g r a p h i c s ，m e m sc o m p o n e n te x t r a c t i o n ，n e t l i s tg e n e r a t i o n ，a u t o m a t i c a l l y o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm e m sd e v i c e sa n dd y n a m i ci n t e r f a c em o d u l ea r ed e s c r i b e di n d e t a i l s a sd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fa na p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，t h em f c l i b r a r y , a p if u n c t i o n s ，o p e n g l l i b r a r ya r eb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t of i n i s ht h es o f t w a r es y s t e mb yp r o g r a m m i n g ，m f ci su t i l i z e d ，a n do p e n g li su s e df o rd r a w i n g3 d i m a g e s a n dt h es o f t w a r ei sf m i s hu n d e rv i s u a lc + + 6 0 k e yw o r d s ：m e m sc a d ；n o d a lm e t h o d ；s y s t e m l e v e l ；c i f ；3 d ；n e t l i s t ；d y n a m i c ；s i m u l a t i o n i i 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：膏霭 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：馕曹导师签名：研究生签名：壕胃导师签名：日期捌乒纩日期：朋弘必 第一章概论 1 1m e m sc a d 第一章概论 m e m sc a d 幢1 即m e m sc o m p u t e ra i d e dd e s i 印( 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 方面的火量投入， 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、医疗等领域有着j 1 泛的应用【3 】。m e m s 器件的特征尺寸为微米甚至纳米级，而很多 微观世界的物理规律与宏观世界有很大的差别，但目前对微观世界的研究还远不能满足当前 的需求，因此在m e m s 的设计和制造方面还存在很多复杂的、正待解决的问题【4 】。 微电子机械系统尺度的缩小，集成化程度的提高，会导致一r = 序增多，成本提高。对于一 个如此复杂的系统，如果我们仍然按照传统的制造米验证设计的模式进行研制显然是不可行 的【5 】。这主要是冈为制造、试验花费的时间长，费用高，而且所需测试设备一般都很复杂， 价格昂贵，更何况人多数器件是非线性的，会涉及到复杂的多能域耦合问题【6 】，这一系列因 素使得人们对m e m s 进行计算机辅助设计的需求越来越迫切【7 。9 1 。 m e m s 设计是一项复杂的一1 ：程，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，在这一过程中对m e m s 的各种参数进行优化， 对其性能进行分析和计算，在设计阶段完成对各种设计方案的分析、优化和验证。这一过程 体现了m e m sc a d 技术的意义所在： ( 1 ) 优化m e m s 结构号| 生能； ( 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。 m e m s 与传统机械和微电子系统在设计、加工上存在很大的差别，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义，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，这些学科相互作用，共同构成了完整的体系， 实现确定的功能。多能量域的耦合问题是m e m sc a d 所面临的最大挑战。 ( 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 cc a d 不提供自动生 成三维模型的工具。因此，作为联系掩膜、工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儿何轮廓，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 必须建立相应的材料特性数据库，并且可以根 据工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量化分析，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k ，而且要求有较人的内存。冈此，m e m sc a d 需要以快 速有效的算法为基础。 m e m sc a d 的内容主要包括以下几个方面： 版图设计：图形转移：j 二艺中，需要用版图c a d 工具生成掩模板，并将加工对象的几 何尺寸转化为机器的控制命令，用于制造掩模板。 工艺仿真：m e m s 工艺仿真比i c 工艺设计增加了很多内容，如各向异性腐蚀、i c p 、 东南人学硕上学位论文 键合等。 器件级模拟：m e m s 器件级仿真最能体现学科交叉的特点，不同的能量域可以使用 不同的仿真工具，如利用s p i c e 进行电学分析，利用a n s y s 进行力学分析等。 系统级模拟：m e m s 系统级的设计目前尚缺乏专门的工具。系统级的设计对于快速 验证设计思想，实现自顶向下的设计流程非常重要。 由于m e m s 器件不仅包括微机械结构，还包括电路部分，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， 因而单纯针对电子或者机械领域的c a d 软件已经远远不能满足m e m s 设计的要求。目前， 许多大学和公司已经意识到m e m sc a d 技术的重要性，纷纷投入这方面的研究，开发出多 种m e 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 旧】软件、法国m e m s c 印公司 的m e m s c 印、加州大学b e r k e l e y 分校的s u g a r t h 2 以及美国c a r n e g i em e l l o n 大学的 n o d a s t l 3 - 1 4 等。 利用c a d 工具进行m e m s 设计，既节约时间，又降低了成本，大大缩短了器件从产品 构思到产业化的整个进程；通过将c a d 仿真结果与实测结果比较，可以加深对器件工作原 理的认识，从而提出优化方案；c a d 工具还能帮助理解一定范嗣内机械、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。 1 2m e m s 设计方法 m e m s 设计方法u 副是指导设计的基本思想方法，它在整个m e m s 系统的设计和优化过 程中具有相当重要的作用。对于m e m s 器件来说，其工作原理包含了多种能量之间的耦合。 例如微执行器可以把电能( 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，因此很难用解析式进行表达。 因此在分析器件的性能时一般都采用数值分析的方法( 如有限元f e m 、边界元b e m 或有限 差分等) 。 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，它不能从整个系统的 性能出发，对包含m e m s 器件和电路的整体系统进行性能模拟与探索。因此，为了优化系 统性能，缩短设计周期，进行m e m s 设计方法的研究显得尤为重要。 m e m s 没计主要包括以下四个设计层次：系统级设计、器件级设计、工艺设计及版图 设计。 1 2 1 系统级设计 由于m e m s 器件是一个复杂的系统，在系统设计中很难进行一致性分析与模拟，冈此 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 用于系统级的模拟显得十分必要。m e m s 器件不仅涉及多个能量域，而且设计过程也比较 复杂，到目前为止存在两种没计方式：自顶向下( t o p d o w n ) 和自底向上( b o t t o m u p ) ， 图1 1 给出了m e m s 不同设计层级的设计流程。系统级设计主要是面向整体系统的，它从 整体系统性能的要求出发，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 2 第一章概论 就是自顶而下设计方法。 1 2 2 器件级设计 图1 1m e m s 分层分级设计流程 器件级设计主要是面向器件结构及其性能。由于m e m s 器件存在多种能量耦合，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， 冈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。 1 2 3 工艺设计 m e m s 技术的发展是随着硅机械加工技术的进步而不断发展的，因此为了m e m s 技术 的进一步发展，工艺设计n 刚方面的问题需要进一步得到解决。 m e m s 工艺技术又被称为微米一纳米技术，实际上，目前m e m s 涉及的尺寸一般是从 3 东南大学顾：十：学位论文 毫米到微米尺寸的加工。m e m s 工艺技术主要由硅微加工技术、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组成。其中，硅微加工技术是m e m s 技术的主流和发展方向， 它是由硅微电子工艺技术发展而来的，冈此，它又被称为硅基微机械加 二。l i g a 技术和超 精密加t 技术是两种独立于硅微加工技术的新技术，它们被统称为非硅基微加工技术。 硅基微加工技术起源于微电子工艺技术，其基础和主体为微电子t 艺技术。除了i c 常 用的薄膜技术、光刻技术、刻蚀技术等外，硅基微加工技术还发展了其独特的体微机械加工 技术和表面微机械加工技术。 1 2 4 版图设计 集成电路的版图设计发展到目前已经较为成熟，m e m s 器件的版图可以利刚集成电路 已有的成熟的版图设计工具，按照版图设计规则和相关t 艺要求和系统性能要求进行设计和 完成。 1 2 5m e m s 设计方法的重要性 m e m s 技术是一种典型的多种学科相互交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及剑自然及 工程科学方面的所有领域，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、相互交叉，共同构成了完整的体系，从而实现某一特定的功 能。因此，在进行m e m s 设计时我们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面对和解决的一个重要问题。不同能域间的耦合常常需要用 到混合技术的模拟器。现在已有的一些软件如a n s y s 等大都通过数值计算中有限元等方法 来解决能量域耦合问题，这种处理方法虽然能得到比较精确的模拟结果，但是其模拟速度很 慢，而且占用了大量的计算机资源，这些不足都是m e m s 设计方法需要解决的问题，我们 必须通过研究从而获得较为理想的解决设计问题的新的途径。 1 2 6m e m s 的系统级模拟 系统仿真是m e m s 分析与设计的特有要求，也是m e m sc a d 设计要实现的目标之一。 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够人人降低成本， 加快系统设计的进度，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 号处理电路和微执行器的设计，这就需要对m e m s 设计方法与设计技术进行研究，m e m s 器件的系统级模拟已经成为研究的一个重要方面【1 7 - 1 8 】。但是m e m s 器件与电路中的器件单 元存在着较大差异，因此无法通过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，这给系统设计增加了难度。为了解决这一瓶颈，人们展开了一系列探索和研究， 最终发现，建立m e m s 器件的宏模型可以很好的解决这一难题 1 9 】。系统级模拟的首要任务 4 第一章概论 是建立m e m s 器件的宏模型2 0 1 。图1 2 展示了一个采用等效电路宏模型的系统分级示意图 【1 9 】。 图1 2 采用等效电路宏模型的系统分级示意图 1 3 基于节点法的m e m s 设计软件架构 1 3 1 节点法设计方法 由于m e m s 器件存在着多种能量耦合，并且m e m s 器件行为人多采用偏微分( 或常微 分) 方程表达，因此，目前商业化的m e m s 设计软件大都采用数值求解的方法，如基于有 限元【2 1 1 ( 见图1 3 ) 的a n s y s 、c o v e n t o r w a r e 和i n t e l l i s u i t e 等来分析器件的性能， 图1 3 基于f e m b e m 的仿真平台 ( 特点：高精度，单元数多，仿真耗时) 利用以上软件进行m e m s 设计时，首先根据功能和性能要求开始设想好一个器件的具 体结构，然后在仿真软件中进行三维建模后，划分网格，加各种载荷和边界条件进行有限元 分析求解，最后对比性能要求指标后修改原器件，并重复建模、网格划分、加载荷求解的过 程直到仿真结果达到性能要求为止。图1 3 中展示的是m e m s 梳状谐振器进行划分网格， 并加载荷后的示意图。 基于有限元的方法具有精度高、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。 为了克服以上缺点，我们必须在m e m s 设计领域寻求新的设计方法。从上世纪9 0 年代 5 东南大学顾t 7 学位论文 开始，国外许多大学和研究机构都相继开始了对m e m s 设计的节点设计方法【2 2 2 5 】( 见图1 4 ) 这一领域的探索和研究。在节点化设计中，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。 m e m s t r a n s d u c e r b e a m f o ld e d - f le x l l r er e s o n n to r 图1 4 基于节点法的仿真平台 ( 特点：单元数大大减少，仿真速度快，精度合适) 在集成电路设计中，电路系统以网络连接的方式将电阻、电容、电感、三极管、m o s 管以及运算放大器等一系列端口元件组装在一起。而：i 了点法的设计思想正是来源于i c 设计 中的单元库这一思想。同电路一样，节点法也可以从m e m s 常见结构中提取出所需要的基 本单元，这些基本单元包括a n c h o r 、m a s s 、f i n g e r 、 o i n t 、b e a m 等。当对一个m e m s 器件用 节点法进行分析时，首先基于版图和工艺对器件结构进行分解，并确定各基本组成单元的类 型【2 6 埽i 拓扑关系【2 7 】；接着基于各单元的功能和行为要求构建出相应的数学模型【2 蚰9 1 ，这些 模型全部用代数方程或者常微分方程进行描述( 常系数的或是变系数的) ；最后以仿真平台 能够识别的方式输入已建立的数学模型【2 们，并加激励进行求解。 对于m e m s 器件的分析仿真而言，节点法具有诸多优点：首先，这种分析方法具有直 观性，从器件布局到节点结构之间的转换不存在任何障碍；其次，基本单元模型的相对独立 性，基本单元与外部的具体连接方式没有直接关系，因此可被重复调用，提高建模速度和效 率；再次，单元模型使用并实现了大量的理论成果，从而大大降低了计算所需的冗余信息， 提高了计算效率，一定程度上保证了计算精度；最后，与有限元划分单元相比，节点单元划 分的单元数大大减少，提高了仿真速度。综上所述，研究和开发基于节点法的m e m s 设计 工具有着实际而广泛的应用价值。 6 第一章概论 1 3 2m e m s 节点法设计工具研究现状 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【1 4 1 ( t e c h n i c a lr e p o r t ) ，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 l d 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 ，并丁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o 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 3 3 基于节点法和等效电路模型库的i c 设计接口软件设计框架的提出乜1 如前所述，n o d a s 系统是基于昂贵的s a b e r 平台实现的，而s u g a r 系统则依赖于 m a t l a b 平台，这些系统的模型都普遍存在移植性、易用性差，价格昂贵的缺点，并且不 提供与电路的接口，无法实现m e m s 及其外围电路的系统级仿真。所以设想如果基于：1 了点 法设计原理，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，在建立相 应的等效电路宏模型后基于s p i c e 实现这些参数化元件库，便可实现与电路接口，实现了 i c 设计的一致性描述和一致性仿真，且模型的移植性、易用性都得到了大大改善。 图1 5 给出了基于节点法和等效电路模型库的i c 接口软件系统框架示意图。 7 东南人学硕l 学位论文 图1 5 基于节点法和等效电路模型库的软件系统框架示意图 基于图1 5 实现的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； 通用网表转换规则描述； 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，软件将两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。接着根据节点法和等效电路思想，建立m e m s 器件宏模型， 完成器件单元库【2 2 】【2 5 】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 模拟得最终网表，并通过s p i c e 完成仿真。为了使所设计的m e m s 器件达 到性能要求，通过动态接口功能载入了优化模块，依据仿真结果和性能指标的比较进行优化 叠代后进行相关修改，从而实现m e m s 器件的最优化设计。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接口。 以m e m s 梳状谐振器为例，首先将其版图描述导入并分层解释，得到各层版图图形； 用户选择工艺流程和参数，软件实现三维结构的生成并显示输出；根据节点单元的特征将三 维结构进行节点划分和提取( 即节点单元识别) ，并依据节点单元连接关系和相对位置生成 初始拓扑；接着根据已构建的s p i c e 单元库，将各个已被提取出的节点单元分别映射为相 应的s p i c e 局部网表，将上一步得到的各个局部网表按节点网表描述的拓扑关系整合成系 统网表，生成最终网表，将此等效电路在s p i c e 下进行模拟，得到器什的性能参数，例如 8 第一章概论 谐振频率。为了实现所需的谐振频率，可进行器件尺寸的优化迭代，获取最理想的结构尺寸 后修改原设计。 与现有的m e m s ：肖点法设计_ t 具( n o d a s 、s u g a r ) 相比，以上m e m s 设计系统的设 计原理基于节点法，但后续建模不同，从软件平台的易用性和模型的移植性考虑，在s p i c e 中建立了节点单元的等效电路宏模型。利用电路仿真软件的优点是：提供了与电路的接口， 便于微电子设计人员实现m e m s 及其外同电路的协同设计和系统级仿真。 另外，本软件在功能和性能上还有其它一些显著的优点： 采用框架体系，由框架管理系统对程序统一管理 对m e m s 器件的三维建模非常方便，提供了标准版图和工艺的接口 选用s p i c e 进行m e m s 器件模拟，实现了与i c 的一致性描述和一致性仿真 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 加入了优化模块，便于实现m e m s 器件的最优化设计 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 所以整个软件功能完善，接口完备，实刚性好，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。 1 4 本论文的主要工作 本论文提出并实现了i c 设计接口的m e m s 设计软件，该软件基于：肖点法和等效电路 模型，实现了m e m s 设计中的i c 一致性描述和一致性仿真。软件采用m f c 编写完成，由 框架管理系统、版图解析模块、三维生成与处理模块、网表模块和动态接口等部分组成。 框架管理系统根据用户的不同操作，选择调用相对应的模块，并管理各模块的接口数 据，协调模块的运行，从而管理整个系统，使其良好运行。 版图解析模块包含c i f 文件解析、二维图形生成、图形放缩等操作部分，该模块实现 了载入c i f 格式的版图文件，完成版图绘制，并支持放缩、平移的图形操作功能。 三维生成与处理模块，包括工艺信息输入和三维模拟，在版图信息的基础上，结合工 艺信息，生成三维图形，并支持放缩、平移等操作功能。 网表模块包括初始网表生成、最终网表生成、以及网表生成规则描述等部分。所谓初 始网表，是由版图解析后直接得米的网表文件，该文件简单描述了有哪些具体器件，以及这 些器件的尺寸等，初始网表本身不能用于s p i c e 模拟，只是记录了器件信息。最终网表是由 初始网表信息，结合网表生成规则描述的处理，可以直接用于s p i c e 模拟的网表文件。网表 生成规则描述是生成最终网表的关键部分。冈为对于每个用于s p i c e 模拟的m e m s 器件来说， 都是需要经过建模分析，并用s p i c e 的语肓描述出来，而这些，都会在网表生成规则中得到 体现。并且，m e m s 器件的多样化和多变性决定了网表生成规则不唯一，它更是一个体系， 对于一个新的m e m s 器件而言，高级用户可以在完成s p i c e 建模后，按照规则描述，自定义 网表生成规则。 动态接口根据用户需要，动态载入第三方程序，以供系统使用。在程序开始运行时， 会读入相关文档信息，根据用户载入的不同程序，动态生成相关菜单，由框架管理系统统一 管理。该功能类似于我们的操作系统，例如在w i n d o w s 中安装了o f f i c e 软件后，只要我们不 把它删除，就会一直在系统中供我们使用。 论文第二章介绍了软件架构没计和u m l 建模的相关概念以及各自作用，并以u m l 的 五种标准符号为例，详细说明本论文研究的软件架构体系。 9 东南人学硕上学位论文 第三章介绍了框架的建立，版图解析模块、三维生成与处理模块和初始网表生成功能。 详细描述了本软件的结构体系，介绍了框架管理系统的功能和实现，以及版图解析模块、三 维生成与处理模块和初始网表生成功能的原理和实现。 第四章提出了基于节点法和等效电路模型的网表转换功能，介绍了初始网表、最终网表 和通用网表转换规则描述，并以梳状谐振器为例，给出了其初始网表，最终网表和网表转换 规则文件格式。 第五章介绍了动态接口模块的提出和实现，该模块实现了软件的动态功能扩展。并作为 动态接口模块应用实例，载入网表优化模块。 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。 1 0 第二章软件架构设计和u m l 建模 第二章软件架构设计和u m l 建模 2 1 软件架构概念解析n 卅 m a r y s h a w 在软件体系结构：一门出路端倪学科的展望中，为“软件架构”给出了 非常简明的定义： 软件系统的架构将系统描述为计算组件之间的交互( t h ea r c h i t e c t u r eo f as o f 研a r es y s t e m d e f i n e st h a ts y s t e mi nt e r m so fc o m p u t a t i o n a lc o m p o n e n t sa n di n t e r a c t i o n sa m o n gt h o s e c o m p o n e n t s ) 。 上面定义中的“组件”概念是指广泛意义上的元素，并不是指和c o r b a ( 公共对象请求代 理架构) 、d c o m ( 分布式组件对象模型) 、e j b ( 服务器端组件模型) 等相关的专有的组件 概念。“计算组件”也同样是广义的泛指，计算组件又可以进一步细分为处理组件( 模块) 、 数据组件( 数据库) 、连接组件( 接口) 等。总之，这里的“组件”可以指子系统、框架、 模块、类等不同层次，不同粒度的软件单元，他们可以担负不同的计算职责。 上述定义有如下两个显著的特点： ( 1 ) 关注架构实践中的客体一软件，以软件本身为描述对象 ( 2 ) 分析了软件的组成，即软件由承担不同计算任务的组件组成，这些组件通过相 互交互完成更高层次的计算。 s h a w 的这个定义从“软什组成”的角度解析了软件架构的概念要素：组件及组件之间 的交互。通过u m l 类图( u m l 是u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 的简称，统一建模语言；u m l 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。) ，这个关系可 以得到更加清晰的表达，如图2 1 所示。图2 1 表明系统由各个组件组成，它们通过交互作 用相互协调。 图2 1 软件架构的“组件+ 交互”结构 s h a w 的架构定义高度抽象地将软件架构概括为“组件+ 交互”。m v c ( m o d e l v i e w c o n t r o l l e r ) 模式是国外用得比较多的一种设计模式，m v c 包括三类对象，m o d e l 是应用对象，v i e w 是 它在屏幕上的表示，c o n t r o l l e r 定义用户界面对用户输入的相应方式。以现被广泛应用的 m v c 架构为例，图2 2 为m v c 架构的“组件+ 交互”结构： 东南大学硕上学位论文 图2 2 为m v c 架构的“组件斗交互”结构 采用m v c 架构的软件包含了这样三种组件：m o d e l 、v i e w 、c o n t r o l l e r 。为了达到一定 的目的，这三种组件必须通过交互来协作，比如：v i e w 创建c o n t r o l l e r 后，c o n t r o l l e r 根据 用户交互调用m o d e l 的相应服务，而m o d e l 会将自身的改变通知v i e w , v i e w 则会读取m o d e l 的信息以更新自身。 本论文研究的软件架构的“组件+ 交互”结构可以由u m l 状态图表现出来，如图2 3 所示。该软件架构包含了版图解析、三维结构生成和处理、初始网表和最终网表的生成、显 示，以及网表优化、模拟部分等白身组件，还有动态管理的第三方组件等，他们之间通过交 互实现功能，具体如图2 3 所示。 图2 3 本论文软件的u m l 状态图描述 2 2 软件架构的作用n h 1 在现在的软件设计与开发中，软件架构正发挥着越来越重要的作用。i v a rj a c o b s o n 在统 一软件开发过程之路中认为“在没有架构的情况下，建造任何高复杂度的结构都是鲁莽 的。”，b a r r yb o e h m 也在他的 e n g i n e e r i n gc o n t e x t ) ) 中提到“如果一个项目的系统架构( 包 括理论基础) ”尚未确定，就不应该进行此系统的全面开发。 软件架构虽然是软件开发过程初期的产物，但是它不仅仅作用于软件开发初期，它对 后期的软件维护，乃至改动力度比较大的软件扩展、软件升级都起着重要作用。 图2 4 展示了软件架构在不同情况下所起的不同作用，并重点说明了它们在时间轴上的 差异以及它们在工作难度上面