（机械电子工程专业论文）mems系统级的跨平台建模技术研究.pdf

西北丁业火学硕 i s 论文 摘要 摘要 基于可重用i p i n t e l l e c t u a l p r o p e rt y ) 的 设计方法为微机电 系统( m e m s ) 系 统 级建模与 仿真技术提供了新的思路， 有望成为未来的主流。 它将me ms 分解为梁、 质量块、 可变电容器等多个功能结构部件， 把这些功能结构部件建立为参数化的 组件模型，组件模型按照器件的功能结构布局相互联接形成的网络表征整个 m e m s ,目 前 采用该思想建立的组件模型局限于特定的仿真器， 通用性差， 不能 在其他的平台上应用。 本文针对上述不足， 研究了 m e ms 系统级的跨平台建模技术。 采用标准建模 语言 v h d l - a ms ，制定了一套面向 m e ms 设计的通用建模规范:定义了多端口 组件模型由端口、 行为模型、 参数以及示意图构成的一般形式， 给出了组件端口 的联接准则; 然后在此基础上， 研究了典型me ms 功能结构部件行为模型和器件 网络模型的建模方法，建立了参数化的me ms 组件库。由于采用了国际标准 v h d l - a m s ， 这样编写一次代码就可以 在不同仿真平台上实现模型的仿真，增 强了 me ms 组件库的开放性、 可扩展性和跨平台性， 为拥有不同仿真器的用户使 用:m e ms 组件库提供方便。 对所建组件模型的准确性， 采用有限元分析方法进行验证， 仿真结果表明 所 建模型在适用范围内能够精确地描述相应功能结构部件的行为特性。 最后， 使用 该组件库实现微加速度计的建模与仿真。 关键词: 微机电系统v h d l - a ms 系统级设计跨平台建模微加速度计 两北t业大学硕士论文 ab s i 很a c t p l atf orm一一 s p anni ng mode l i ng t echnol ogy of m em s at s ys tem level ab s t ract r e u s a b l e i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ( i p ) b a s e d m e t h o d i s p r o m i s i n g t o b e t h e m a i n t r e n d f o r 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 s ( me ms ) m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n a t s y s t e m l e v e l . wi t h t h i s m e t h o d , me ms a r e d e c o m p o s e d i n t o s e v e r a l f u n c t i o n a l c o m p o n e n t s s u c h a s b e a m s , p l a t e m as s e s a n d a l t e r a b l e c a p a c i t o r s . a l l t h e c o m p o n e n t s a r e m o d e l e d a s p a r a m e t e r i z e d e l e m e n t s a n d c o n n e c t e d t o r e p r e s e n t t h e w h o l e me ms . a t p r e s e n t , p a r a m e t e r i z e d e l e m e n t s b a s e d o n i p m e t h o d a r e l i m i t e d t o c e r t a i n s i m u l a t o r , a n d c a n t b e i m p l e m e n t e d i n o th e r s i m u l a t o r s . t h i s t h e s i s p r e s e n t s p l a t f o r m - s p a n n i n g m o d e l i n g t e c h n o l o g y a t me ms s y s t e m l e v e l . t h e i n t e rn a t i o n a l s t a n d a r d h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e 一 v h d l - a m s , i s i m p l e m e n t e d t o e s t a b l i s h a s e t o f m o d e l i n g c r i t e r i o n f o r m e ms d e s i g n . t h e c o m m o n f o r m o f p o r ts , b e h a v io r m o d e ls , . p a r a m e t e r s a n d s c h e m a t i c s a r e d e fi n e d , r u l e s o f p o r t s c o n n e c t i o n i s a l s o p r e s e n t e d . a s e t o f p a r a m e t e r i z e d me ms e l e m e n t s i s t h e n e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e b e h a v i o r m o d e l s o f f u n c t i o n a l p a r t s a n d n e t w o r k m o d e l s o f d e v i c e s . o w i n g t o t h e a b o v e w o r k , t h e c o d e s c a n b e a p p l i e d o n d i f f e r e n t s imu l a t o r , w h i c h i m p r o v e s t h e o p e n i n g , p l a t f o r m s p a n n i n g a n d e x p a n s i b i l it y o f p a r a m e t e r i z e d e l e me n t s . t h e p a r a m e t e r i z e d e l e m e n t s a r e v a l i d a t e d u s i n g fi n i t e e le m e n t a n a l y s i s ( f e a ) , a n d t h e r e s u l t s h o w s t h e b e h a v i o r m o d e l s a r e a c c u r a t e e n o u g h . f i n a l l y , t h e m i c r o a c c e l e r o me t e r i s m o d e l e d a n d s i m u l a t e d u s i n g t h i s s e t o f e l e m e n t s k e y wo r d s : me ms , v h d l - a ms , s y s t e m l e v e l d e s i g n , mi c r o a c c e l e r o m e t e r , p l a t f o r m - s p a n n i n g m o d e l in g n 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 第一章绪论 11介绍 目 前， me ms 已由具有单一功能的微器件向由 微机械结构、 接口电路和控制 电路等构成复杂功能系统的集成化方向发展， 多学科交叉、 多能量域祸合问题也 集中反映在me ms 整个系统的综合分析中。 传统的在单一能量域内进行建模与仿 真的方法己不能满足me ms 设计的要求， 迫切需要对包括机械结构、 电子线路等 多能量域的系统从整体上进行设计分析( 1 7 2 7 在传统设计流程中，通常采用c o v e n t o r s a n a l y z e r , a n s y s 或f e ml a b 等有限元、边界元工具对微结构进行仿真分析，反复修改，直至满足设计要求。 再提取微结构的宏模型， 插入其它系统仿真器中用于整个系统的设计分析， 如在 m a t l a b 和s p i c e 中。 这个宏 模型可以 和仿 真器中的电 子元件一起描述系统的整 体 行为。 然而这种方法存在明显的不足: 宏模型描述的是微结构的总体特性， 因此， 一旦微结构几何尺寸或元件位置有任何变化， 都需要重新建立模型。 有限元工具 本身并不能描述电路行为， 电路仿真器也无法对微结构直接建模。 西北工业大学 微/ 纳米系统实验室针对上述现状， 研究了多端口 组件网络 ( m u p e n ) 方法并成 功开发了 m u p e n 组件库， 在单一仿真器中实现了 微结构和电子线路的整体设计。 mu p e n 组件库用ma s t 编写，在s a b e r 中实现。 1 . 2研究现状 1 . 2 . 1 m e m s设计层次 麻省理工学院 ( mi t ) 的s .d . s e n t u ri a 将m e m s 的设计分为四个阶层16 1 :工 艺 级( p r o c e s s l e v e l) 、 物理 级( p h y s i c a l l e v e l) 、 器 件 级( d e v i c e le v e l ) 和 系 统级 ( s y s t e m l e v e l ) ， 如图1 . 1 所示， 这也是当前国际上关 于 m e ms 设计的 一种 主 流分 级方法。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 第一章绪论 11介绍 目 前， me ms 已由具有单一功能的微器件向由 微机械结构、 接口电路和控制 电路等构成复杂功能系统的集成化方向发展， 多学科交叉、 多能量域祸合问题也 集中反映在me ms 整个系统的综合分析中。 传统的在单一能量域内进行建模与仿 真的方法己不能满足me ms 设计的要求， 迫切需要对包括机械结构、 电子线路等 多能量域的系统从整体上进行设计分析( 1 7 2 7 在传统设计流程中，通常采用c o v e n t o r s a n a l y z e r , a n s y s 或f e ml a b 等有限元、边界元工具对微结构进行仿真分析，反复修改，直至满足设计要求。 再提取微结构的宏模型， 插入其它系统仿真器中用于整个系统的设计分析， 如在 m a t l a b 和s p i c e 中。 这个宏 模型可以 和仿 真器中的电 子元件一起描述系统的整 体 行为。 然而这种方法存在明显的不足: 宏模型描述的是微结构的总体特性， 因此， 一旦微结构几何尺寸或元件位置有任何变化， 都需要重新建立模型。 有限元工具 本身并不能描述电路行为， 电路仿真器也无法对微结构直接建模。 西北工业大学 微/ 纳米系统实验室针对上述现状， 研究了多端口 组件网络 ( m u p e n ) 方法并成 功开发了 m u p e n 组件库， 在单一仿真器中实现了 微结构和电子线路的整体设计。 mu p e n 组件库用ma s t 编写，在s a b e r 中实现。 1 . 2研究现状 1 . 2 . 1 m e m s设计层次 麻省理工学院 ( mi t ) 的s .d . s e n t u ri a 将m e m s 的设计分为四个阶层16 1 :工 艺 级( p r o c e s s l e v e l) 、 物理 级( p h y s i c a l l e v e l) 、 器 件 级( d e v i c e le v e l ) 和 系 统级 ( s y s t e m l e v e l ) ， 如图1 . 1 所示， 这也是当前国际上关 于 m e ms 设计的 一种 主 流分 级方法。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 图1 . 1 m e m s 设计层次 工艺级设计关注的焦点是me ms 的几何形状的可加工制造性: 与工艺级所关 注的焦点不同， 物理级、 器件级和系统级这三个设计阶层是从不同的角度或不同 的抽象阶层来研究m e ms 的行为特性。 物理级是从物理场的角度研究分析器件内 的能量与 信息转换机理; 相对于物理级， 器件级是从更高阶层的角度研究 m e m s 器件内的能量与信息的转换， 在该阶层只关注me ms 器件主要的行为特性， 即关 注主要矛盾， 忽略次要因素， 以便对器件行为进行快速的设计、 评估; 而在系统 级设计中研究分析由更多微器件 ( 如微传感器、 微致动器、 接口电路等) 构成微 系统的整体性能，以寻求相对合理的系统整体设计方案。 1 . 2 . 2 m e m s 系统级建模与仿真 统一建模方法是目 前研究me ms 系统级建模与仿真的主流。 它是采用一种通 用系统建模方法对系统中的所有子系统 ( 或功能结构部件) 进行统一建模， 用一 个仿真器实现对整个系统的仿真， 基于这种方法的系统级设计的解决方案目 前有 一些应用(5 16 ) 2 0 2 1 2 3 1 系统模型通过一组常微分和代数方程来建立。这种方法的理论基础是广义 k i r c h h o f f电流定律和广义 k i r c h h o f f电 压定律，即流入任一节点的通量和为 零， 任一闭合回路中的跨量之和为零。 在电系统中， 表现为流入某一节点的所有 电流的总和等于零和绕某一闭合回路的全部电压降等于零。 在机械能量域中， 表 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 图1 . 1 m e m s 设计层次 工艺级设计关注的焦点是me ms 的几何形状的可加工制造性: 与工艺级所关 注的焦点不同， 物理级、 器件级和系统级这三个设计阶层是从不同的角度或不同 的抽象阶层来研究m e ms 的行为特性。 物理级是从物理场的角度研究分析器件内 的能量与 信息转换机理; 相对于物理级， 器件级是从更高阶层的角度研究 m e m s 器件内的能量与信息的转换， 在该阶层只关注me ms 器件主要的行为特性， 即关 注主要矛盾， 忽略次要因素， 以便对器件行为进行快速的设计、 评估; 而在系统 级设计中研究分析由更多微器件 ( 如微传感器、 微致动器、 接口电路等) 构成微 系统的整体性能，以寻求相对合理的系统整体设计方案。 1 . 2 . 2 m e m s 系统级建模与仿真 统一建模方法是目 前研究me ms 系统级建模与仿真的主流。 它是采用一种通 用系统建模方法对系统中的所有子系统 ( 或功能结构部件) 进行统一建模， 用一 个仿真器实现对整个系统的仿真， 基于这种方法的系统级设计的解决方案目 前有 一些应用(5 16 ) 2 0 2 1 2 3 1 系统模型通过一组常微分和代数方程来建立。这种方法的理论基础是广义 k i r c h h o f f电流定律和广义 k i r c h h o f f电 压定律，即流入任一节点的通量和为 零， 任一闭合回路中的跨量之和为零。 在电系统中， 表现为流入某一节点的所有 电流的总和等于零和绕某一闭合回路的全部电压降等于零。 在机械能量域中， 表 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 现为动力系统的达朗伯定理， 即力学系统达到动力平衡时， 所有的力之和等于零， 且机械结构上的点满足空间连续性。 前人采用统一建模方法对me ms 系统建模主要有两种方式。 一种是等效电路 法， 另 一种是基于可重用i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 的设计方法( 简称可重用i p 法) 。 等效电 路法是由 h .a . c . t i lm a n s 最先 应用到 m o m s 设计中3 0 。 他借助于 宏观 机电能量转换中的集总参数法、 利用机电 类似性， 提出了采用电模拟的等效电路 法实 现m e ms 的系统级建模与仿真，到目 前为止这种方法还在国内外广泛使用。 简单的来说， 等效电路法把机械系统的位移、 力、 质量、 弹性系数等效为电路中 的电荷、 电压、电 感、电容， 又采用变压器和回转器作为机电之间的能量转换装 置。 对于非线性系统建模， 引入附加能量源模拟系统的非线性行为。 类似地， 这 种方法可向 其他能量域 ( 流体、 热学等) 扩展，即采用电模拟的方法对其它能量 域进行仿真与分析。 这种方法虽然广泛使用， 但具有以下局限性: 一般难以找到 与系统相适应的等效电路;受到s p i c e电路仿真器基本单元类型的限制;在等 效非线性系统时， 需要引入附加的能量源， 而这个能量源在真实系统中并不存在， 故使所建模型不易理解。 可重用 i p法克服了上述建模与仿真的不足， 有望发展成统一建模方法的主 流。 这种方法的基本思想为把me ms 分解为多个功能结构部件， 把这些功能结构 部件建立为参数化的组件模型， 组件模型按照器件的功能结构布局相互联接形成 的网 络表征整个me ms 。它具有以下优点: 1 ,建模和仿真速度快，计算精度较高。 z 、 够处理m e m s 多能量域藕合的固有特性。 3 、便于设计迭代和优化。 世界各国研究机构在这种设计思想的基础上提出了不同的m e ms 建模与仿 真的解决方案，并形成了相应的设计工具。 加 州 大 学 b e r k e l e y 分 校的 s u g u r 就 是 其 中 一 种 3 5 。 它 是 在 m a t l a b 中 建 立 梁、 静电间隙以及简单的电路元件 ( 电阻、电容、电 压源等) 的行为模型， 进一部以 网表的形式实现m e m s 建模与仿真。 虽然这种方式将机械系统和电 系统集成到了 同一仿真其中， 但其提供的元件模型有限， 且相对简单。 所以 使设计过程受到了 ck制。 戏北下业大学硕士论文 第一章 绪论 与s u g u r 的不同的是， b o s c h 公司的g . l o r e n z a n d r . n ti e e 工 采用硬件描述语言 m a s t 建 立 m e m s 结 构 的 行 为 模 型 ， 在 s y n o p s y s s a b e r 中 实 现 仿 真 t s a e i a g . l o r e n z 后来又将这组模型应用到c o v e n t o r a r c h i t e c t 中。目前，a r c h i t e c t 提供的 行为模型己由机电领域扩充到光学、 流体和射频领域。 它不仅能够提供丰富的机 械行为模型，而且这些行为模型还能和成熟的电路模型配合使用。 c a r n e g i e me l l o n 大学的n o d a s 则关注于一组可用于建立复杂悬浮m e m s 器 件 建模的 组件库3 8 )( 3 4 74 0 1 。 这 些组 件的 行为 模型 采用 v e r i lo g - a 编写， 在c a d e n c e s p e c t r e 中 实现建模与 仿真。 s p e c t r e 支 持c m o s 工艺的电 子元件模型。 因 此， 采 用 n o d a s ， 准确的机械和电路仿真能在同 一仿真器中 完成。同时还可以 利用标准 的c a d e n c e i c 设计流程，灵活实现n o d a s 的s c h e m a t i c 和版图的交互。 国内的北大微电子所、 清华大学、 北航、 东南大学、中科院上海冶金所等都 曾 进行m e ms 设计技术研究。 但只有极少数单位专门 研究m e m s 的系统级设计问 题， 厦门大学机电工程系提出加权残值法系统级仿真方法， 可变权值的数值计算 结合能量法等用于宏模型的提取。 1 . 2 . 3实验室研究基础 泉统微加速度计 接口电路 微机械 于 一 x 1, 、; x 运 放 r l c锚点梁 图i . 2微加速度计的分解 梳结 7 a ll, 块 戏北下业大学硕士论文 第一章 绪论 与s u g u r 的不同的是， b o s c h 公司的g . l o r e n z a n d r . n ti e e 工 采用硬件描述语言 m a s t 建 立 m e m s 结 构 的 行 为 模 型 ， 在 s y n o p s y s s a b e r 中 实 现 仿 真 t s a e i a g . l o r e n z 后来又将这组模型应用到c o v e n t o r a r c h i t e c t 中。目前，a r c h i t e c t 提供的 行为模型己由机电领域扩充到光学、 流体和射频领域。 它不仅能够提供丰富的机 械行为模型，而且这些行为模型还能和成熟的电路模型配合使用。 c a r n e g i e me l l o n 大学的n o d a s 则关注于一组可用于建立复杂悬浮m e m s 器 件 建模的 组件库3 8 )( 3 4 74 0 1 。 这 些组 件的 行为 模型 采用 v e r i lo g - a 编写， 在c a d e n c e s p e c t r e 中 实现建模与 仿真。 s p e c t r e 支 持c m o s 工艺的电 子元件模型。 因 此， 采 用 n o d a s ， 准确的机械和电路仿真能在同 一仿真器中 完成。同时还可以 利用标准 的c a d e n c e i c 设计流程，灵活实现n o d a s 的s c h e m a t i c 和版图的交互。 国内的北大微电子所、 清华大学、 北航、 东南大学、中科院上海冶金所等都 曾 进行m e ms 设计技术研究。 但只有极少数单位专门 研究m e m s 的系统级设计问 题， 厦门大学机电工程系提出加权残值法系统级仿真方法， 可变权值的数值计算 结合能量法等用于宏模型的提取。 1 . 2 . 3实验室研究基础 泉统微加速度计 接口电路 微机械 于 一 x 1, 、; x 运 放 r l c锚点梁 图i . 2微加速度计的分解 梳结 7 a ll, 块 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 目 前，西北工业大学微/ 纳米系统实验室在m e m s 系统级设计方面作了卓有 成效的工作$ 1 (9 1 。研究了多端口 组件网络 ( m u p e n )方法并成功开发了 m u p e n 组件库( 1 1 ) 1 1 2 1 6 m u p e n 方法也是一种基于可重用i p 的设计方法，该方法将m e m s 系统分 解为接口电 路和微机械器件， 这些器件可进一步分解为一些基本的功能单 元，如图工 . 2 为对微加速度计的分解。把这些功能单元建立为参数化多端口 组件 模型， 联接这些组件模型形成的网络作为整个me ms 系统的系统级模型。 1 . 3多端口组件网络方法 mu p e n 方法采用的是模拟1 混合信号硬件描述语言、参数化的行为模型和混 合信号仿真器。设计过程从s c h e m a t i c 输入开始，me ms 器件和电子线路在此共 同表征整个me ms 系统。这个s c h e m a t i c 由mu p e n 组件库中选取的组件和电子元 件按m e m s 器件的功能结构布局连接而成。 然后自 动生成对应的网表文件。 最后， 仿真器通过网 表文件对设计进行仿真验证。 m u p e n 组件库由 锚点、 梁、 质量块、可变电容器等组件组成。每个组件都 有刘 一 应的参数化模型、 示意图标和一组独立于工艺的几何参数。 同时， 所有组件 还和一组工艺参数和材料属性参数关联起来。由于 m u p e n 方法中的参数化行为 模型直接源于组件的解析方程， 所以 和有限元/ 边界元模型和降阶模型比较起来， 更易于设计迭代。 1 . 3 . 1组件模型的 表示形式 m e m s 的 多 端口 组 件模型 与 m e m s 的 功能 结 构 部 件 ( 如 梁、 质 量 块 等 ) 相 对 应。 多端口组件模型由端口、示意图、 参数以及行为模型构成。 如: 梁的两个端点在 二维空间内的行为见图1 . 3 ， 则其对应的多端口 组件模型可用图i 叫 4 表示。 其中组 件的 端口 用来实现组件间的能量和信号的 转换， 组件的参数是模型可重用的 关键 一 通过修改组件的参数可实现设计方案的修改，组件的行为模型用来描述组件 内部的能量和信号的流动， 而示意图的引入是为了 便于对组件模型进行操作， 便 于me ms 系统级网络模型的建立。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 目 前，西北工业大学微/ 纳米系统实验室在m e m s 系统级设计方面作了卓有 成效的工作$ 1 (9 1 。研究了多端口 组件网络 ( m u p e n )方法并成功开发了 m u p e n 组件库( 1 1 ) 1 1 2 1 6 m u p e n 方法也是一种基于可重用i p 的设计方法，该方法将m e m s 系统分 解为接口电 路和微机械器件， 这些器件可进一步分解为一些基本的功能单 元，如图工 . 2 为对微加速度计的分解。把这些功能单元建立为参数化多端口 组件 模型， 联接这些组件模型形成的网络作为整个me ms 系统的系统级模型。 1 . 3多端口组件网络方法 mu p e n 方法采用的是模拟1 混合信号硬件描述语言、参数化的行为模型和混 合信号仿真器。设计过程从s c h e m a t i c 输入开始，me ms 器件和电子线路在此共 同表征整个me ms 系统。这个s c h e m a t i c 由mu p e n 组件库中选取的组件和电子元 件按m e m s 器件的功能结构布局连接而成。 然后自 动生成对应的网表文件。 最后， 仿真器通过网 表文件对设计进行仿真验证。 m u p e n 组件库由 锚点、 梁、 质量块、可变电容器等组件组成。每个组件都 有刘 一 应的参数化模型、 示意图标和一组独立于工艺的几何参数。 同时， 所有组件 还和一组工艺参数和材料属性参数关联起来。由于 m u p e n 方法中的参数化行为 模型直接源于组件的解析方程， 所以 和有限元/ 边界元模型和降阶模型比较起来， 更易于设计迭代。 1 . 3 . 1组件模型的 表示形式 m e m s 的 多 端口 组 件模型 与 m e m s 的 功能 结 构 部 件 ( 如 梁、 质 量 块 等 ) 相 对 应。 多端口组件模型由端口、示意图、 参数以及行为模型构成。 如: 梁的两个端点在 二维空间内的行为见图1 . 3 ， 则其对应的多端口 组件模型可用图i 叫 4 表示。 其中组 件的 端口 用来实现组件间的能量和信号的 转换， 组件的参数是模型可重用的 关键 一 通过修改组件的参数可实现设计方案的修改，组件的行为模型用来描述组件 内部的能量和信号的流动， 而示意图的引入是为了 便于对组件模型进行操作， 便 于me ms 系统级网络模型的建立。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 目 前，西北工业大学微/ 纳米系统实验室在m e m s 系统级设计方面作了卓有 成效的工作$ 1 (9 1 。研究了多端口 组件网络 ( m u p e n )方法并成功开发了 m u p e n 组件库( 1 1 ) 1 1 2 1 6 m u p e n 方法也是一种基于可重用i p 的设计方法，该方法将m e m s 系统分 解为接口电 路和微机械器件， 这些器件可进一步分解为一些基本的功能单 元，如图工 . 2 为对微加速度计的分解。把这些功能单元建立为参数化多端口 组件 模型， 联接这些组件模型形成的网络作为整个me ms 系统的系统级模型。 1 . 3多端口组件网络方法 mu p e n 方法采用的是模拟1 混合信号硬件描述语言、参数化的行为模型和混 合信号仿真器。设计过程从s c h e m a t i c 输入开始，me ms 器件和电子线路在此共 同表征整个me ms 系统。这个s c h e m a t i c 由mu p e n 组件库中选取的组件和电子元 件按m e m s 器件的功能结构布局连接而成。 然后自 动生成对应的网表文件。 最后， 仿真器通过网 表文件对设计进行仿真验证。 m u p e n 组件库由 锚点、 梁、 质量块、可变电容器等组件组成。每个组件都 有刘 一 应的参数化模型、 示意图标和一组独立于工艺的几何参数。 同时， 所有组件 还和一组工艺参数和材料属性参数关联起来。由于 m u p e n 方法中的参数化行为 模型直接源于组件的解析方程， 所以 和有限元/ 边界元模型和降阶模型比较起来， 更易于设计迭代。 1 . 3 . 1组件模型的 表示形式 m e m s 的 多 端口 组 件模型 与 m e m s 的 功能 结 构 部 件 ( 如 梁、 质 量 块 等 ) 相 对 应。 多端口组件模型由端口、示意图、 参数以及行为模型构成。 如: 梁的两个端点在 二维空间内的行为见图1 . 3 ， 则其对应的多端口 组件模型可用图i 叫 4 表示。 其中组 件的 端口 用来实现组件间的能量和信号的 转换， 组件的参数是模型可重用的 关键 一 通过修改组件的参数可实现设计方案的修改，组件的行为模型用来描述组件 内部的能量和信号的流动， 而示意图的引入是为了 便于对组件模型进行操作， 便 于me ms 系统级网络模型的建立。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 全崛 凡2 图1 . 3 梁的两个端点在三维空间内的行为 .-.1已-，j理-对毛1口-，.、，云- 圳 龙v，- 一黔衬 口 由几儿 城1脚1屿1牲 i_ o-f-,fi l-ti lt i : c 3 - 七二 二 二二 二 二 j 图1 .4 梁的组件模型示意图 微结构上的端点在三维空间内的 机械运动可用六个自由 度( 三个平动和三 个转动) 来描述，故在组件的每一个端点上都设置六个机械端口，分别用来描述 微结构上端点的三个机械平动自由度和三个机械转动自由度。 同时， 微结构通常 还作为导线或电 容承担导电或能量储存功能，所以 在每一个端点上都设置一 个 电 学端口 用来描述组件间电能流动。以上面所示梁模型为例，x , y , z 为描述三 个 水平方向上平动的端口， a .p 、 丫 为描述三个转动方向 上转动的 端口。i 为电 端口。 1 . 3 . 2组件行为模型 参数化的行为模型是mu p e n 方法的核心。 模型以结构矩阵分析理论为基础， 将组件的行为限制在一些特定的节点上，通过描述组件物理属性的矩阵进行建 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 全崛 凡2 图1 . 3 梁的两个端点在三维空间内的行为 .-.1已-，j理-对毛1口-，.、，云- 圳 龙v，- 一黔衬 口 由几儿 城1脚1屿1牲 i_ o-f-,fi l-ti lt i : c 3 - 七二 二 二二 二 二 j 图1 .4 梁的组件模型示意图 微结构上的端点在三维空间内的 机械运动可用六个自由 度( 三个平动和三 个转动) 来描述，故在组件的每一个端点上都设置六个机械端口，分别用来描述 微结构上端点的三个机械平动自由度和三个机械转动自由度。 同时， 微结构通常 还作为导线或电 容承担导电或能量储存功能，所以 在每一个端点上都设置一 个 电 学端口 用来描述组件间电能流动。以上面所示梁模型为例，x , y , z 为描述三 个 水平方向上平动的端口， a .p 、 丫 为描述三个转动方向 上转动的 端口。i 为电 端口。 1 . 3 . 2组件行为模型 参数化的行为模型是mu p e n 方法的核心。 模型以结构矩阵分析理论为基础， 将组件的行为限制在一些特定的节点上，通过描述组件物理属性的矩阵进行建 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 模。以线性梁为例，需要研究的行为包括拉伸、弯曲、扭转、惯性及阻尼。 外力 和外力矩被限制加载在梁的两端。 采用能量法， 梁的拉伸、 弯曲、 扭转通过刚度 矩阵 k 来描述:惯性行为通过质量矩阵 川 来描述;阻尼行为通过阻尼矩阵 b 来描述。于是线性梁的行为可以 通过以 下方程来建立: f b ra m 一 m lx l + b x + k x ( 1 . 1 ) 若是描述三维空间内的行为，则 f b n n m 卜 f a 凡 。 f a n m s a峙。mn f x b 心 f b mb林。mb t , x 二 x 。少 。2 。att a片 孙 乃 2 。马 x a y a z a d r n n y n x b y v z b a b /-rb y b t a . b 为三维梁的两个端点。 行为模型描述组件与其它组件进行能量和信号交换时， 组件内 部能量和信号 的流动与交互在其所有端口 变量上的映射关系。 行为模型采用上述低阶的常微分 和代数方程来表示，这也为后面基于硬件描述语言对组件行为进行描述、分析、 求解提供了统一形式的基础和依据。 1 . 3 . 3组件网络 多端口组件网络模型数学本质是一个常微分和代数方程组。 组件相互联接形 成网络时， 还需要在各组件行为模型的基础上确定各组件端口间的能量和信号流 动关系才能最终确定组件网络所表述的常微分和代数方程组。 因此， 只有能量类 型相同的端口才能相互联接; 对于机械能量域端口， 相互联接端口的端口 变量的 基准参考系必须一致，相互联接端口 所代表自由度的方向必须一致，如 x向的 平动端口只能和 x向的平动端口相联接。 1 . 4研究目的及意义 采用可重用 i p设计思想的建立的组件模型主要区别在于模型编码语言、 模 型的适用范围和使用方法有所不同。不同的模型编码语言局限于特定的仿真器， 通用性差，造成严重的设计资源浪费。随着 i e e e v h d l - a ms 标准的制定， v h d l - a ms 有望成为最理想的模型编码语言。这样编写一次模型代码就可以在 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 模。以线性梁为例，需要研究的行为包括拉伸、弯曲、扭转、惯性及阻尼。 外力 和外力矩被限制加载在梁的两端。 采用能量法， 梁的拉伸、 弯曲、 扭转通过刚度 矩阵 k 来描述:惯性行为通过质量矩阵 川 来描述;阻尼行为通过阻尼矩阵 b 来描述。于是线性梁的行为可以 通过以 下方程来建立: f b ra m 一 m lx l + b x + k x ( 1 . 1 ) 若是描述三维空间内的行为，则 f b n n m 卜 f a 凡 。 f a n m s a峙。mn f x b 心 f b mb林。mb t , x 二 x 。少 。2 。att a片 孙 乃 2 。马 x a y a z a d r n n y n x b y v z b a b /-rb y b t a . b 为三维梁的两个端点。 行为模型描述组件与其它组件进行能量和信号交换时， 组件内 部能量和信号 的流动与交互在其所有端口 变量上的映射关系。 行为模型采用上述低阶的常微分 和代数方程来表示，这也为后面基于硬件描述语言对组件行为进行描述、分析、 求解提供了统一形式的基础和依据。 1 . 3 . 3组件网络 多端口组件网络模型数学本质是一个常微分和代数方程组。 组件相互联接形 成网络时， 还需要在各组件行为模型的基础上确定各组件端口间的能量和信号流 动关系才能最终确定组件网络所表述的常微分和代数方程组。 因此， 只有能量类 型相同的端口才能相互联接; 对于机械能量域端口， 相互联接端口的端口 变量的 基准参考系必须一致，相互联接端口 所代表自由度的方向必须一致，如 x向的 平动端口只能和 x向的平动端口相联接。 1 . 4研究目的及意义 采用可重用 i p设计思想的建立的组件模型主要区别在于模型编码语言、 模 型的适用范围和使用方法有所不同。不同的模型编码语言局限于特定的仿真器， 通用性差，造成严重的设计资源浪费。随着 i e e e v h d l - a ms 标准的制定， v h d l - a ms 有望成为最理想的模型编码语言。这样编写一次模型代码就可以在 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 模。以线性梁为例，需要研究的行为包括拉伸、弯曲、扭转、惯性及阻尼。 外力 和外力矩被限制加载在梁的两端。 采用能量法， 梁的拉伸、 弯曲、 扭转通过刚度 矩阵 k 来描述:惯性行为通过质量矩阵 川 来描述;阻尼行为通过阻尼矩阵 b 来描述。于是线性梁的行为可以 通过以 下方程来建立: f b ra m 一 m lx l + b x + k x ( 1 . 1 ) 若是描述三维空间内的行为，则 f b n n m 卜 f a 凡 。 f a n m s a峙。mn f x b 心 f b mb林。mb t , x 二 x 。少 。2 。att a片 孙 乃 2 。马 x a y a z a d r n n y n x b y v z b a b /-rb y b t a . b 为三维梁的两个端点。 行为模型描述组件与其它组件进行能量和信号交换时， 组件内 部能量和信号 的流动与交互在其所有端口 变量上的映射关系。 行为模型采用上述低阶的常微分 和代数方程来表示，这也为后面基于硬件描述语言对组件行为进行描述、分析、 求解提供了统一形式的基础和依据。 1 . 3 . 3组件网络 多端口组件网络模型数学本质是一个常微分和代数方程组。 组件相互联接形 成网络时， 还需要在各组件行为模型的基础上确定各组件端口间的能量和信号流 动关系才能最终确定组件网络所表述的常微分和代数方程组。 因此， 只有能量类 型相同的端口才能相互联接; 对于机械能量域端口， 相互联接端口的端口 变量的 基准参考系必须一致，相互联接端口 所代表自由度的方向必须一致，如 x向的 平动端口只能和 x向的平动端口相联接。 1 . 4研究目的及意义 采用可重用 i p设计思想的建立的组件模型主要区别在于模型编码语言、 模 型的适用范围和使用方法有所不同。不同的模型编码语言局限于特定的仿真器， 通用性差，造成严重的设计资源浪费。随着 i e e e v h d l - a ms 标准的制定， v h d l - a ms 有望成为最理想的模型编码语言。这样编写一次模型代码就可以在 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 不同仿真平台上实现模型的仿真，以增强三维组件库的开放性、跨平台性， 为 拥有不同仿真器的用户使用三维组件库提供方便。 i e e e v h d l - a ms 标准 1 9 9 9年 3月正式发布，在短短几年时间内，学术 界， 工 业界 对 其相关 研究都 投入了 极 大的 人力 物力 5 0 。 全 球主流的e d a厂商 推出了 相 应的 v h d l - a m s 仿真工具， 这些 厂商 包括 c a d e n c e , s y n o p s y s , m e n t o r , d o l p h i n , a n s o f t 等。 其它的仿 真器也 大多 在扩展对v h d l - a m s 的兼容 功能。 在 国内，处于领先地位的华大集成电路设计公司也开发了在 l i n u x系统下运行的 v h d l - a ms 仿真器 z e n i v d e o同时，me ms 设计厂商也积极开发自己的 v h d l - a ms 模型，c o v e n t o r公司将在新版的c o v e n t o r a r c h i t e c t中推出 v h d l - a m s 建模的m e m s 系 统 级 模 型， m e m s c a p 公 司 和 d o lp h i n 公司 合 作， 正 在 开发v h d l - a ms 建模，支持 s c h e m a t i c输入的me m s 系统级设计工具 me rns ma s t e r a 总体看来， 国外领先的 me ms 系统级设计工具已 逐步走向 成熟， 并极大地加 速了 m e m s 产业化进程。西北工业大学微/ 纳米系统实验室开发的 m u p e n 组件 库，紧 跟国际步伐， 在惯性m e m s 器件设计 方面达到了 c o v e n t o r w a r e的 水平。 但是， 开发的系统级设计平台 是建立在国外仿真器 s a b e r的基础上的，急需建 立全自 主知识产权的产品。 因 此， 采用v h d l - a m s 作为编码语言， 建立开放的三维组件库， 研究系统 级跨平台设计技术迫在眉睫。 , 5研究内容 本文以可跨平台的me ms 组件库为目 标， 研究me ms系统级建模方法及 实现技术。论文采用v h d l - a ms为开发语言，建立了惯性me ms 组件库。具 体的内容包括: 第二章引入一种通用建模语言v h d l - a ms ， 制定一套面向m e m s 设计的 通 用建模规范; 定义多端口组件模型由 端口、 行为模型、 参数以及示意图构成的一 般形式， 给出组件端口的联接准则: 并研究非保守模拟组件、 保守 模拟组件、 混 合信号组件以及网络模型的编码技术。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 不同仿真平台上实现模型的仿真，以增强三维组