（模式识别与智能系统专业论文）基于节点分析法的mems行为级可视化建模与仿真系统.pdf

摘要 摘要 m e m s 与i c 之间最大的区别就是m e m s 具有三维拓扑结构并且具有机械运 动特性，因此，在m e m s 的设计过程中就需要考虑所设计的器件其机械性能是 否达到设计的要求。这就需要m e m s 设计工具能够提供一种快速、直观、准确 的m e m s 器件行为级建模与仿真功能。然而随着m e m s 器件结构的复杂化，对 于m e m s 器件机械性能的仿真越来越复杂，往往会涉及多能域的问题，而且现 有的m e m s 行为级仿真工具所提供的仿真结果多为数值形式，对于具有三维拓 扑结构的m e m s 器件来说，这样的仿真工具缺乏直观的表达，因此，对m e m s 行为级可视化建模与仿真系统的研究具有十分重要的意义。 本文以m e m s 的系统级仿真方法一节点分析法为基础，以虚拟现实技术 为工具，提出了可视化的m e m s 行为级建模与仿真系统。并结合可扩展的参数 化p 库，实现设计的可重用性，最终形成了以参数化i p 库为核心，节点分析法 为基础，广泛应用虚拟现实技术的可视化m e m s 行为级建模与仿真系统。整个 系统包含了两项关键技术：可视化建模技术虚拟组装、可视化仿真技术 虚拟运行。 基于节点分析法的虚拟组装在传统三维实体建模理论的基础上，体现了节点 分析法的核心思想，即部件之间的组装表现为各个部件节点之间的连接。这就 决定了虚拟组装不只是器件拓扑结构的组装，而且包含了器件中各个部件物理 规律的组装，通过节点相互连接的部件之间具有连续变化的物理参数。虚拟组 装以i p 库中储存的部件作为组装的来源，组装后生成的器件模型可以导入到虚 拟运行中进行行为级的仿真过程。 基于节点分析法的虚拟运行实现了分析与仿真过程的同步。虚拟运行的核心 是器件的动态模型，包括运动学模型和动力学模型。其中，运动学模型的建模 和求解借助于节点分析法的静态分析和有限元计算理论中的广义线性化特征； 动力学模型的求解则应用了振动理论中模态的概念，通过各阶模态的叠加得到 器件的动力学模型，在实现中则借助于节点分析法的模态分析结果。在此基础 上，实现了基于节点分析法的运动学和动力学的虚拟运行。 关键词：微机电系统节点分析法虚拟组装虚拟运行参数化i p 库 i ab s t r a c t t h en l o s td i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nm e m sa n di c a r et h e3 d n l i c r o s t n l c t l 】r ea i l dm e c h a n i c a lm o v e m e n to fm e m s s oi ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e r t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ec a r e f u l l y t h i sd e m a n dn e e d sr a p i d ，v i s u a l i z e da n d a c c u r a t em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf u n c t i o n si nm e m sc a d h o w e v e r , w i t hm o r ea n d m o r ec o m p l i c a t e dm i c r o s t r u c t u r ea n dm u l t i d o m a i np r o b l e ma p p e a r i n gi nt h ed e s i g n o fm e m s i ti sm o r ed i f f i c u l tt os i m u l a t et h em e c h a n i c a lm o v e m e n t o fm e m sd e v i c e f u r t h e r m o r e ，i tu s u a l l ye x h i b i t ss i m u l a t i o nr e s u l t i nt h ep l a i ng r a p h i c sf o r m a ta t p r e s e n t t h i ss i m u l a t i o nm e t h o di s n o ta p p r o p r i a t ef o rm e m sd u et o i t s3 d m i c r o s n u c t l l r e s ot h ep a p e rp u t sf o r w a r dan o v e lv i s u a l i z e dm e m sb e h a v i o r a l m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do nt h em o d i f i e dn o d a la n a l y s i s ( m n a ) a n du s i n gv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yt oe x h i b i tt h es i m u l a t i o nr e s u l t w i t ht h ef u n c t i o no f e x t e n s i b l ea n d p a r a m e t e r i z e di pl i b r a r y , i ti m p l e m e n t sr e u s eo fd e s i g np r o c e s sa n ds p e e d su pt h e d e s i g nc y c l e t h ei n t e g r a t i o no fa l lt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h em o d i f i e dn o d a l a n a l y s i s ，v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n de x t e n s i b l ei pl i b r a r y , c o n s t r u c t st h ew h o l e d e s i g ns y s t e m t h es y s t e mi sc o m p o s e d o ft w ok e yt e c h n o l o g i e s ，v i s u a l i z e d b e h a v i o r a l m o d e l i n gt e c h n o l o g y v i r t u a l a s s e m b l y a n dv i s u a l i z e db e h a v i o r a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y - v i r t u a lo p e r a t i o n 。 v i r t u a la s s e m b l yi sb a s e do l lm o d i f i e dn o d a la n a l y s i s i tn o to n l yi n h e r i t sf r o m t h et r a d i t i o n a l3 de n t i t ym o d e l i n gt h e o r yb u ta l s oi n d i c a t e st h ec o r ei d e ao fm n a i t u s e sn o i i ec o n n e c t i o nt oi m p l e m e n te l e m e n ta s s e m b l y t h i sd e c i d e sv i r t u a la s s e m b l y c o n t a i n i n gt w oa s p e c t s o n ei st h e3 dt o p o l o g ya s s e m b l y ；t h eo t h e ri s t h ep h y s i c b e h a v i o ra s s e m b l y v i r t u a la s s e m b l yu s e sc o m p o n e n t si nt h ei pl i b r a r yt om o d e l i n g m e m sd e v i c ea n di t sm o d e l i n gr e s u l tc o u l db ei m p o r t e di n t ov i r t u a lo p e r a t i o n t os t a r t s i m u l a t i o np r o c e s s r t i 】j a lo p e r a t i o ni sa l s ob a s e do nm n a i ti m p l e m e n t st h es y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o np r o c e s s d y n a m i cm o d e lo fm e m sd e v i c ei s t h e f o u n d a t i o no fv i r t u a lo p e r a t i o n t h e r ea r et w ok i n d so fm o d e l ，k i n e m a t i cm o d e la n d i i a b s t r a c t d y n a m i cm o d e l i tu s e st h er e s u l to fm n a ss t a t i ca n a l y s i sa n de x t e n s i v el i n e a r p h e n o m e n at oc o n s t r u c tk i n e m a t i cm o d e l ，n l ed y n a m i cm o d e le x t r a c t i o ni sb a s e do n t h em o d a la n a l y s i si nv i b r a t i o nt h e o r y i tc o u l dm o d e lt h ed y n a m i cp h y s i c a lb e h a v i o r u s i n gt h ei n t e g r a t i o na l lm o d e so fm e m s d e v i c e 1 1 l ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nu s e s m n a sm o d a la n a l y s i sr e s u l tt ob u i l dt h ed y n a m i cm o d e l v i r t u a lo p e r a t i o no f k i n e m a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e l i si m p l e m e n t e db a s e do nt h e s em e t h o d s k e y w o r d s ：m e m s m o d i f i e dn o d a la n a l y s i s v i r t u a la s s e m b l y v i r t u a lo p e r a t i o np a r a m e t e r i z e di pl i b r a r y i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本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。 呷, i t 学位论文作者签名：协压 伽9 ，年厂月哆口日 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：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 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。除文中已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、已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，均已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。 一 学位论文作者签名：毛锄 伽p 年厂月枷日 第一章引言 第一章引言 第一节m e m s 和m e m sc a d 简介 微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c n s y s t e m ，m e m s ) 是指用微电子工艺 制造的微小部件、器件以及由它们构成的系统，包括微传感器、微执行器、微 能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置u 。 m e m s 不但体积小、重量轻、可靠性高，而且功耗和价格都较低。首先，m e m s 具有微型化的特点，其结构尺寸达到微米量级，从而有效地减小了体积。其次， m e m s 具有集成化的特点，通过采用大规模集成电路设计与制造工艺可以把各 种机械、电学、光学部件集成在一个空间内，从而形成具有特定功能的独立微 系统。最后，m e m s 还具有批量化的特点，由于大量采用微电子加工技术，使 其得以批量生产，从而降低了单件成本瞄1 。在过去十几年间，m e m s 技术飞速 发展，各种新工艺新设备的出现促使着人类向探索更加微小的世界不断迈进。 微加速度计、微流量泵、微管道、微探针，这些根本无法用肉眼观察到的小东 西却正在改变着我们的生活，改变着世界。可以说m e m s 将是2 1 世纪具有战略 意义的前沿科学研究之一，其在信息、消费电子、汽车、航空、航天，生物、 医疗以及环境保护等领域有着十分广阔的应用前景瞄4 曲。 虽然m e m s 一般也是用硅加工工艺来制作的，但是它和集成电路有着本质 的不同。集成电路是通过器件的电性质( 开关、延迟、放大) ，实现要求的逻 辑功能；而m e m s 主要是实现某些机械的运动功能，集成电路可能只是它的控 制部分。由此带来m e m s 的一些区别于集成电路的本质特征1 ：1 ) m e m s 的结 构是三维的，而集成电路是平面结构的；2 ) m e m s 有机械运动功能，所以m e m s 在运行中，它的某些部件是要产生运动的，而集成电路则没有；3 ) 对m e m s 运动的分析是多个物理过程( 电、热、力、磁) 的综合，而集成电路主要是 电的过程；4 ) m e m s 由于其结构的三维特征，所以加工工艺不同于集成电路加 工的平面工艺。这种不同使得m e m s 与i c 有本质的差异，因此在设计方法上也 有很大不同。 目前，在m e m s 研究领域主要包括三方面的内容：m e m s 新器件的研究与 开发；工艺的研究与开发；设计软件的研究与开发；在m e m s 新器件的研究与 第一章引言 开发领域，主要集中在生物m e m s ，射频( r f ) m e m s 以及光学m e m s 等领域 u 8 州。在工艺的研究与开发方面，如深反应离子刻蚀( d r i e ) l 1 l j 、电子束光 刻( e - - b e a m ) l 1 2 j 、干涉光刻( i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ) l 1 3 j 、自组装等技术的 出现极大地拓展了硅基m e m s 的加工范围。而在m e m s 设计工具的研究与开发 方面，随着m e m s 器件与工艺的发展，微机电系统变得越来越复杂。多学科交 叉、多能量场耦合使得m e m s 的设计方法和c a d 设计工具变得越来越重要。 因此，专门针对m e m s 设计和开发的软件平台应运而生。 m e m sc a d u 毛曲。是c a d 技术和m e m s 技术相结合的产物，m e m sc a d 提 供了对m e m s 系统进行模拟和仿真的功能，通过对“计算原型”的优化，减少产 品开发中工艺实验的循环次数，从而加快进入市场的速度，降低生产成本。通 过对器件的模拟性能和实测性能的比较，可以对器件的行为和优化加深理解， 再加上总计成本的降低、市场的及时进入，c a d 自身的成本得到抵消。上述情 况中，对于首次设计的产品，很容易忽略细微的二阶效应。c a d 工具对理解或 认识到这些效应起到了重要作用。第二个驱动力来自于研究者，他们需要c a d 工具实验新的想法和设计。其主要目的是获得器件性能的大概预测，并非像产 品设计那样需要详细的模拟结果。因此，存在两种不同的c a d 需求：在新器件 仍处于概念阶段时，辅助设计得到可行的设置；在产品阶段时，对准确的物理 行为和寄生现象进行模拟。 由于m e m s 会涉及到机械和电子相关领域的内容，所以m e m sc a d 是e d a ( 电子设计自动化，e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 和m d a ( 机械设计自动化， m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 系统的继承和综合，覆盖了器件、系统、封装等 分立领域。从工艺角度考虑，m e m s 使用与i c 工艺相似的硅工艺技术，也要涉 及到版图和工艺等环节，所以e d a 领域所使用到的版图和工艺设计方法和工具 也会应用到m e m sc a d 领域。另一方面，考虑到m e m s 的机械运动特性，m d a 领域所使用的各种实体建模工具以及物理仿真等技术也对m e m sc a d 具有十 分重要的参考意义。除此之外，在m e m sc a d 中还会涉及到许多与e d a 和 m d a 有关的内容u 引，所以m e m sc a d 的研究很大意义上借鉴于已有的e d a 和m d a 系统。与集成电路和机械设计一样，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m e m s 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，优化m e m s 结构，并为发明新的m e m s 器件奠定基础。 2 第一章引言 第二节m e m s 设计方法以及研究现状 微电子机械系统( m e m s ) 是微电子技术的拓宽和延伸，它是一种典型的多 学科交叉的前沿性研究领域。m e m s 产品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。微系统的建模和仿真是一个 综合性的课题，其设计方法一般按照建模和仿真的策略和目标划分为三个层级： 系统级、器件级以及工艺级。这三个层级按照系统级、器件级、工艺级的顺序 组织在一起，形成m e m s 设计中具有不同抽象的设计层级。其中系统级处于设 计层级的顶层，器件级其次，工艺级处于设计层级中的底层。按照不同的设计 策略可以组织不同的设计流程，最常见的设计流程有自顶向下j m 州_ 训和自底向 上的设计流程。 图1 1m e m s 设计的不同建模层级 1 系统级仿真 从全局角度出发，建立系统中从控制电路到三维器件等各个元素部件的逻辑 模型，关注系统中最主要的设计参数和指标。系统级模型是对系统基本特征的 概括，进而实现对微机电系统快速抽象化的仿真咄l 比弱。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。m e m s 系统主要由传感器、控制器和 执行器组成，在系统级建模上，将会集中在m e m s 多能量域的问题上。 为了支持m e m s 设计者系统级模拟的需求，在器件级层次上，m e m s 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 om o d e l ) 、压缩模型( c o m p a c tm o d e l ) 、降阶模型 ( r e d u c e d o r d e rm o d e l ) 、块模型( 1 9 m p e dm o d e l ) 。建模方法包括集总参数建模、 节点分析法、多端口组件建模等方法。其中，集总参数建模的方法是将系统中 的所有元件等效为具有相同效果的电子元件，进而可以通过电路分析工具对微 系统的系统级行为进行模拟；节点分析法是从电路分析方法借鉴而来，使用基 3 第一章引言 本元件的连接来形式化描述系统的基本行为，针对各个元件之间的节点建立系 统的形式化模型。( 节点分析法是本文所提出的设计系统的基础，在后面章节中 会进行详细的介绍) ；多端口组件建模方法是将系统等效为由多端口组件组装而 成的网络来描述系统的基本行为，其中用单个组件来表示m e m s 的各个功能部 件，组件的端口表征与部件有关的各种物理量，依据一定规则连接组件形成的 网络来表示系统。 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 l m 咄别，包含了以s a b e r 为基础的 a r c h i t e c t t m 模块，提供了系统级设计仿真的工具；i n t e l l i s u i t e t m 晗胡v e r 8 提供 了s y n p l e t m 系统级模拟工具，其中包括了模拟、数字、m e m s 器件等元件， s m e t m 模块可以精确创建n 自由度的系统级m e m s 模型，用于s y n p l e 或者 其他e d a 系统及模拟工具如s y n o p s y s 、c a d e n c e 、m e n t o rg 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 m e e l 0 系统级模拟中，采用标准化 v h d l a m s 语言，建立了适合微小尺度下的m e m s 基本单元( 梁、膜、弹簧、 气隙、阻尼等) 的结合点化模型。 2 器件级仿真 系统级仿真是对系统的快速仿真，具有最高的抽象级别，能够描述系统的基 本物理特征。如果希望能够得到系统在某一特定物理领域中更加精确的仿真结 果，就需要对微系统进行器件级仿真。器件级仿真设计的领域非常广泛，包括， 静电、机械结构、热学、电磁学、流体力学、半导体物理学等等。对于m e m s 来说在器件级分析过程中往往会涉及到多个物理领域的耦合问题，因此，器件 级仿真过程比较复杂。描述器件的物理行为主要就是偏微分方程，对于结构复 杂的m e m s 器件来说，求解方法主要是通过数值方法例如有限元( f e m ) 、边 界元( b e m ) 、有限差分法等。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 晗钔、集成了f e m b e m 分析模块的c o v e n t o r w a r e t m 眩印等，能够实现 多能量域的耦合求解，在现有的m e m s 设计过程中具有十分重要的意义。 3 工艺级仿真 工艺级仿真在整个m e m s 的设计层级中处于最底层。在这一级，设计的目 的是要根据现有的工艺条件和水平，设计出合理的版图和工艺，最终用于器件 的制造。工艺级仿真主要是根据输入的版图和工艺文件，生成m e m s 器件的三 维拓扑结构，实现在真正加工生产之前即可对所加工的m e m s 器件具有更加直 观地了解。这一级的工艺建模是高度复杂的数值处理过程，工艺模拟可分为基 4 第一章引言 于几何的工艺模拟和基于物理的工艺模拟两种唧瑚。前者主要是通过规则和经 验来建立工艺模型，而后者一般针对于特定工艺进行更加真实的模拟。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 t o r w a r e t m 瞄副， i n t e l l i s u i t e l m 瞳引，m e m sp r o t m z 7 等。国内的有北京大学开发的m e m sc a d 系 统i m e e ，i m e 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m e m sg a r d e n 瞄w 以硅基 微陀螺的设计与分析为需求牵引，对m e m s 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。 以上所述的三个设计层级是对微系统不同抽象层次的建模和仿真，系统级具 有最高的抽象层次，是对系统中最重要的设计参数的快速仿真；器件级是对系 统中在某一物理领域更加精确的仿真；工艺级仿真是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。一般地，这三个层级之 间按照自顶向下的顺序组织和进行，即按照系统级、器件级、工艺级的设计流 程组织三个层级之间的关系，首先设计者按照基本的设计要求和重要的设计参 数进行系统级的仿真，此时不需考虑过多的物理细节和工艺版图信息，一旦系 统的重要参数被确定，这时就需要更多地关注采用何种技术与工艺对所建宏模 型予以实现。 第三节本文的研究内容 在m e m s 的设计与仿真中，对器件的各种物理行为的仿真，特别是对器件 机械行为的仿真具有十分重要的意义。迄今为止，集成电路的模拟、仿真直至 评测已有了非常完善的工具软件；并已成为设计过程的重要组成部分；对设计 的成功、可靠、高效都己起到决定性作用。而对m e m s 而言，还相差甚远，这 和m e m s 发展的成熟程度有着直接关系。当然，这并不意味着m e m s 不需要这 样的工具和系统。相反，由于m e m s 的功能多样、加工复杂、分析困难、设计 周期长、成本高等。特别需要一个能包括运动仿真、评测在内的设计工具和系 统。 现有的m e m s 仿真软件主要集中在对器件时域和频域中各种特性的模拟和 分析。仿真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 5 第一章引言 果缺乏与设计者良好的交互能力，因此，本文在已有仿真软件的基础上提出了 虚拟运行的概念，旨在借助于虚拟现实技术，客观真实地在虚拟环境中再现 m e m s 器件和系统的运动状态。在此基础之上，结合可视化的建模工具虚 拟组装，实现了集建模和仿真与一体，包含可扩展i p 库的m e m sc a d 。 本文将结合本课题组当前承担的国家8 6 3 计划“基于i p 库的通用m e m s 器 件可视化仿真与验证工具”和国家自然科学基金项目“m e m s 设计自动化关键技 术与系统研究”对通用的m e m s 可视化仿真与验证系统，特别是对m e m s 机械 行为的仿真进行更加深入的研究，为m e m s 器件机械行为的仿真提供了更加丰 富的手段，弥补国内在该领域的不足。 论文共分为五章 第一章“引言”从m e m s 的基本概念、设计方法以及近几年的发展趋势，特 别是针对m e m s 的三维拓扑结构以及物理运动特性，论述了通用的m e m s 可视 化仿真与验证系统研究的重要意义。 第二章“基于参数化i p 库的m e m s 设计系统”从宏观的角度描述了基于参数 化i p 部件的通用m e m s 设计方法以及在此基础上实现的m e m s 原型设计系统 的整体架构以及各个主要的功能模块，包括可扩展的参数化i p 库、虚拟组装、 虚拟运行以及虚拟工艺。 第三章“基于节点分析法的可视化m e m s 行为级建模方法一虚拟组装”介 绍了节点分析法的概念以及基本原理，并在此基础上提出了基于节点分析法的 可视化m e m s 行为级建模方法一虚拟组装的概念及其理论基础。 第四章“基于节点分析法的可视化m e m s 行为级仿真方法一虚拟运行”介 绍了虚拟运行的概念及其动态模型的求解方法，包括运动学和动力学模型的理 论基础以及相应的求解方法。 第五章“基于s u g a r 的可视化m e m s 行为级建模与仿真系统”介绍了本文所 提出的可视化m e m s 行为级建模与仿真系统的具体实现细节。仿真系统以开源 软件s u g a r ( 节点分析法) 为基础，并根据第三章和第四章中所述的理论基 础，具体描述了基于s u g a r 的虚拟组装和虚拟运行的实现细节。最后，以微悬 臂梁，微膜片，微加速度计等常用m e m s 部件或器件为例，展示了本文所实现 的行为级仿真系统的仿真结果。 第六章“结论和展望”总结了本文的研究内容，并对将来的工作提出展望。 6 第二章基于参数化p 库的m e m s 设计系统 第二章基于参数化ip 库的m e m s 设计系统 第一节基于l p 库的设计系统概述 2 1 1 基于ip 库的设计方法 、 本文针对m e m s 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 方法瞄川。整个系统以可扩展的参数化工p 库为基础，包含了对m e m s 器件物理运 动规律的仿真和验证以及m e i v l s 工艺仿真与可加工性验证等功能。 可扩展的参数化i p 库是本系统的基础。无论在集成电路还是软件设计领域， 实现设计的可重用性u ”跚1 都是现在研究的热点，也是c a d 系统中的一项关键功 能。设计重用直接关系到c a d 系统的设计性能和效率u 引，因此与产品的生产和 成本之间都有着至关重要的关系。微机电产品设计般采用面向装配和面向功 能的分解，设计人员常将一个复杂的产品设计逐层分解为一系列的子系统( 部 件) ，而子系统( 部件) 可进一步分解，利用产品分解结构将复杂产品设计问题逐 步简单化，而实现此过程的基础就是一个可重用的设计库。由此，有经验的设计 人员就可以充分利用这些成功的设计方案实现快速的设计，并在此基础之上实 现产品设计的创新，设计重用可以有效地支持产品快速设计，缩短产品开发时 间，最终提高产品的可靠性和质量巩删。 i p 是i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 的英文首字母缩写，字面上的意思是知识产 权。m e m s 器件的i p 库源于集成电路i p 库单元的思想，描述了m e m s 器件宏模型 的行为级特性。基于i p 库的设计思想充分体现了i c m e m s 设计的可重用性。与 此同时，i p 库还是m e m s 设计中的t o p - d o w n 和b o t t o m u p 两种方法的结合点： t o p d o w n 设计过程引用的元部件来源于i p 库；而i p 库中这些元部件是 b o t t o m - u p 方法设计好m e m s 器件模型。因此，建立一个基于i p 库的通用m e m s 器件可视化仿真与验证工具，对m e m s 设计的两种方法都至关重要。 概括地说，i p 库可以理解为经过加工成功或实验验证通过的设计结果以特 定形式存储起来的部件库，i p 库中的部件为m e m s 的设计提供了快速的设计参考。 同时，部件描述中包括了部件的动态模型和它的工艺设计及相应版图。借鉴i c 设计的可重用概念，本文将经过验证的部件称之为i p 。由此，针对设计结果可 7 第二章基于参数化口库的m e m s 设计系统 借鉴和重用性问题，本文提出了i p 库的概念，在虚拟现实快速原形系统设计研 究基础上，通过i p 库将虚拟组装和虚拟运行联系在一起，建立了t o p d o w n 和 b o t t o m u p 两者相结合的设计系统，即基于i p 库的m e m s 设计系统。 2 1 2 虚拟现实技术与m e m so a d 的结合 本文所提出的基于i p 库的m e m s 设计系统的另一重要特征是将虚拟现实技术 和m e m s 设计过程相结合，通过更加逼真的拟实环境给设计者提供更加直观的仿 真结果，使其在设计过程中就能够身临其境的感受到真实的m e m s 器件运行结果。 上世纪9 0 年代发展起来的虚拟现实u “叫。技术也是一种仿真技术，同样是以 模型为基础；但有不同于通常的数值仿真的特点，同时，它还是智能技术的一 个分支。在以往以人工智能、专家系统为代表的智能技术中，以计算机为智能 载体，知识的表达是核心；只有将人的知识、经验恰当地表达成计算机可以理 解并进行推理的形式，人的智能也才得以发挥。但人的智能中，大量的是零散 的、碎片式、多侧面的、不完善、经验性知识，还有可能是未经完全证实的； 故此很难表达成计算机推理所需的完备的知识体系。虚拟现实技术最大特点是 以人为中心，它不再像早期智能技术那样试图让计算机理解人的智能，替人推 理、决策；而是直接生成让人“身临其境 的环境；结果是使人融入环境中“触 景生情 ，直接对环境中对象的状态判断、决策、推理。它的核心也不再是知识 如何表达，而是产生什么样的环境，人更容易“触景生情 地融入环境，发挥 自己的智能。具体到m e m s 设计与数值仿真不同的是，虚拟现实技术可以让人介 入到仿真过程，让自己的知识、经验发挥作用；而不仅是一个“黑匣子”的看 客。 生成一个什么样的仿真环境是虚拟现实的核一t l , 。具体到m e m s 机械性能仿真， 对于某些m e m s 器件，如微马达，人可以通过显微镜观察其运行状态。通过观察， 人可以积累经验，反复验证就可以上升为知识。对于这样来源的知识与经验， 发挥它的最好的环境当然就是同样显微镜视野尺度下图形化的微马达动态运 行。这样的图形化虚拟环境甚至可以和显微镜下实际微马达运行图像进行对应 时刻状态的定量对比、分析。 2 1 3 自顶向下和自底向上相结合的设计流程 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 8 第二章基于参数化口库的m e m s 设计系统 主要是研究由m e m s 和i c 共同组成的微系统整体性能；器件设计是对m e m s 器件二维_ - - 维的实体结构，利用f e m b e 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 t t m u p ) 的两种方式。因为m e m s 技术和微电子技术都采用了 类似的半导体加工工艺，同时微电子技术的巨大成功很大程度上得益于电子设计 自动化( e d a ) 工具的广泛应用，所以m e m s 的设计工具研发长期以来都追求 一种类似于e d a 的、可以实现m e m s 器件自顶向下设计的工具系统，以加速 m e m s 设计，促进产业化。因此，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 t t o m u p 方式则是从工艺出发到系统级仿真。 然而，m e m s 设计和i c 设计之间有着很大的区别，传统的自顶向下的设计 流程或者自底向上的设计流程并不能很好的发挥预想的效果。这主要是因为 m e m s 作为一门新型的高新技术学科，可用的口部件不是很多，在进行自顶向 下逐层细化的过程中，并没有很多可用的成功部件( 子系统) 以实现设计的细 化，所以在实现自顶向下的细化设计过程中并不能很好的实现设计重用，这就 导致了在设计过程中不得不对每一个子系统进行详细的重新设计过程。同样的 对于自底向上的验证过程也是如此。因此基于i p 库的m e m s 设计系统提出了自 顶向下和自底向上相结合的设计流程以及方法，充分的利用到可扩展的参数化 i p 库的作用。概括的说，自顶向下和自底向上相结合的设计流程是为了弥补当 前可用的m e m s 部件不完善这个问题所提出的，通过可扩展的口库以及合适的 设计模式就可以发挥自顶向下和自底向上各自设计流程的优势。作为载体的i p 库不但为创新性的m e m s 设计提供了丰富的设计来源，同时提供了扩展机制， 允许将通过实验验证或者实际加工出的m e m s 器件添加到部件库中。由此，形 成了本系统所描述的自顶向下和自底向上相结合的m e m s 设计系统巩”。 2 】4 系统总体结构图 基于i p 库的m e m s 设计系统包括三个主要的功能模块：可扩展的参数化i p 库、工艺级仿真系统以及行为级仿真系统。其中可扩展的参数化工p 库是设计系 9 第二章基于参数化口库的m e m s 设计系统 统的基础，提供了在自顶向下设计过程中的可重用i p 部件，是实现自顶向下和 白底向上相结合的m e m g 设计流程的关键；工艺级仿真系统对应于现有仿真软件 的工艺级仿真层级，提供从版图和工艺文件到三维实体的映射，包含基于网格 实体模型的虚拟工艺和基于体绘制技术的虚拟工艺。此外，工艺级仿真系统中 还包含了版图自动生成以及可加工性验证模块；行为级仿真系统是本文研究的 重点，主要针对m e m g 的物理运动规律提供更加逼真的可视化三维拟实环境 虚拟运行，虚拟运行可以动态的模拟m e m s 器件的机械运动特性。行为级仿真系 统除了包含虚拟运行，还提供了可视化的建模工具虚拟组装。虚拟组装与 虚拟运行相结合形成了集可视化建模和仿真于一体的m e m g 行为级仿真系统。无 论是虚拟工艺、虚拟组装还是虚拟运行都是以虚拟现实技术为依托，结合现有 的m e m sc a d 技术形成的独具特色的可视化的通用m e m s 设计系统，图2 1 显示了 基于i p 库的m e m s 设计系统框图： 图2 1 基于工p 库的m e m s 设计系统框图 基于i p 库的m e m s 设计系统是t o p d o w n 和b o t t o m u p 的两者结合的设计 方法。其设计流程为： ( 1 ) 拓扑结构解析：器件的三维拓扑结构被“器件拓扑结构解析模块”分解 为各个部件( 子系统) ，这一过程体现了自顶向下的基本设计思路。通过解析后 的器件被分解为两大类部件：p 库中已有的m e m s 部件以及口库中没有的 m e m s 部件； ( 2 ) 口模型提取：把拆解的部件和i p 库中i p 比较，看看是否已经有该类 1 0 第二章基于参数化m 库的m e m s 设计系统 设计实例了。对于p 库中已有的m e m s 部件来说，可以通过“i p 提取模块”从m 库中直接提取出相应的三维拓扑结构、动态模型以及相应的版图和工艺信息； 如果每个拆解的部件都可以从口库中取得，直接到第4 步。 抽取之后的i p 因为是需要修改参数的，所以在设计过程中不叫i p 了，而是 部件。m 与部件的区别在于是否通过了设计系统或者实际加工的验证； ( 3 ) 部件生成：对于p 库中没有的部件来说，可以通过虚拟组装所提供的 接口来生成新部件的三维拓扑结构，生成的新部件可以暂时保存在未经过验证 的部件库中，待验证通过后可加入到口库，形成新的d 部件； ( 4 ) 虚拟组装：在获得器件中所有部件的描述之后，通过虚拟组装模块综 合各个模块的拓扑模型以及动态运动规律。在这里，设计者可以修改设计的一 些参数，例如梁的长度、宽度，电压输入等等； ( 5 ) 虚拟工艺：在获得器件中生成部件的版图和工艺信息的基础之后，就 可以通过版图综合模块生成器件的整体版图和工艺文件，作为虚拟工艺模块的 输入。虚拟工艺实际上是判断该设计器件能否实际加工的最重要一步。通过虚 拟工艺生成实际的三维实体模型，可以通过转换接口输入到虚拟运行中； ( 6 ) 虚拟运行：虚拟组装后的器件，或者虚拟工艺生成的实体模型，可以 通过虚拟运行模块对器件的运动性能进行评测。评测的手段不仅包括实时地三 维运动状态演示，而且还包括关键设计参数的实时数值演示； ( 7 ) 设计结果分析：如果虚拟运行模块或者虚拟工艺模块的仿真过程中发 现了设计方面的问题，可以根据需要返回到( 1 ) ( 5 ) 修改设计参数，其中可 能包括器件的三维拓扑结构或者实际的器件结构参数等等，直到设计结果达到 满意为止； ( 8 ) 输出：如果器件的设计方案通过了虚拟运行和虚拟工艺模块的仿真和 验证之后，就可以输出相应的器件版图和工艺文件，从而进行器件的实际加工； ( 9 ) i p 形成和入库：将成功运行的新部件添加到i p 库中，从而不断的丰富 p 库中的内容，为器件的设计提供更加丰富的参考资料； 在整个设计流程中，充分体现了t o p d o w n 和b o t t o m - u p 设计的结合点： 第二节可扩展的参数化lp 库 2 2 1 参数化ip 库的概念 第二章基于参数化p 库的m e m s 设计系统 本文所提出的可扩展的参数化口库的前身是就是部件库h 1 铊。，部件库中存 放了可以重复使用的、经过实验验证或者实际加工的、结构化的m e m s 器件或 部件的拓扑结构信息，动态模型信息，版图和工艺文件等等在各个设计环节中 将会使用到的信息。而参数化m 库相对于部件库来说，多了两层含义：i p 和参 数化。其中口的概念是从集成电路引申过来，其原意是知识产权( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) ，在此我们提出m 的概念旨在说明部件在m