（精密仪器及机械专业论文）面向掩模图形设计的WEB协同CAD系统的研究.pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 c a d 技术是受世界各国科技高度重视的研究热点问题之一。随着信息技术 和i n t e m e t 的日益发展和普及，传统c a d 技术越来越向网络化、协同化方向发 展。本文针对这一趋势，结合本课题组国家自然科学基金项目紫外光刻仿真的需 要，并利用课题组在协同设计方面已有的研发基础，进一步将其完善成便于掩模 图形协同设计的基于网络的c a d 系统。它采用纯j a v a 语言编写，具有很好的跨 平台和多用户支持，为异地、异构的设计者提供了功能完善的设计与交流的环境。 其基于w e b 模式的设计架构也帮助用户摆脱了安装客户端设计软件的必要，真 正实现随时随地参与设计，最大限度的满足了资源共享与信息交换的需求。 本文针对m e m s 掩模图形的特点，致力于复杂图形区域的快速、高效生成， 解决了设计过程中的一系列重点、难点问题，对原有系统中存在的问题做了一些 重要改进与优化。 论文首先进行系统架构与总体设计方面的介绍。然后通过对系统中对象生成 算法的分析，研究并实现了对象的相交算法与交点捕获问题。接着论文分析了对 象裁剪问题的关键技术，提出了一套适合于本系统的对象裁剪方法并加以实现。 随后论文研究了区域识别的关键技术，提出了一套完备的最小区域识别方法，可 适用于对任意复杂图形区域进行识别和提取，并在此基础上提出了区域裁剪的新 概念，实现了最小区域裁剪算法。为了实现复杂图形区域的快速生成，论文同时 提出了一种多区域合并算法，可方便地通过对简单区域的拼合来得到复杂区域， 并实现了基于多区域合并的区域裁剪算法。 为了便于系统实现三维仿真，论文为二维系统集成了三维平台，实现了系统 向三维领域的扩展，为基于光刻的m e m s 加工仿真、误差分析准备了三维展示 平台。同时，本文成功开发了区域的三维拉伸算法，可适用于对掩模进行2 5 维 的理想图形仿真。 随后，论文介绍了对原系统所作的一些重要改进和优化，包括：精度优化、 对象删除、坐标系映射，撤消功能完善等。 文章的最后对所做的工作进行了总结和展望。 关键词：m e m s ；掩模设计；协同；网络c a d ：裁剪算法；三维拉伸 a b s t r a c t中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) i sa l w a y sah o tr e s e a r c ht e c h n o l o g ya n d s c i e n c e f o c u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e r a c t ，t r a d i t i o n a lc a d i sm o r ea n dm o r ed e v e l o p i n gt ob en e t w o r k e da n dc o l l a b o r a t i v e a c c o r d i n gt ot h i s t r e n da n dt h en e e do f0 1 1 1 n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n s f ) p r o j e c ta b o u tu v - l i g a p h o t o l i t h o g r a p h ys i m u l a t i o n , aw e v b a s e dc o l l a b o r a t i v ec a ds y s t e mw a sd e v e l o p e d f o rm a s kd e s i g nw i t ho m g r o u p sf o r m e rr e s e a r c hb a c k g r o u n do nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i tw a sd e v e l o p e db yp u r ej a v al a n g u a g e ，w i t hm u l t i 一0 sa n dm u l t i - u s e rs u p p o r t , p r o v i d i n gap r a c t i c a ld e s i g na n dc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tf o rd e s i g n e r sw h oa r e l o c a t e di nd i f f e r e n tp l a c ea n du s i n gd i f f e r e n to s i t sw e b b a s e df r a m e w o r ka l l o w st h a t 1 0o t h e rp l u g i ns o f t w a r en e e d st ob ei n s t a l l e da n dd e s i g n e r sc a nj o i nt od e s i g n a n y t i m ea n da n y w h e r e i tp r o v i d e sm a x i m a ls u p p o r tf o ri n f o r m a t i o ns h a r i n g i nt h i s p a p e r , c o m p l e xr e g i o n sr a p i da n de f f i c i e n t c r e a t i o nm e t h o dw a s c o n s i d e r e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fm a s kp a t t e r n s s e v e r a lk e ya n dd i f f i c u l t p r o b l e m sw e r ed i s c u s s e da n ds o l v e di nt h i sp r o c e s s s o m ei m p o r t a n ti m p r o v e m e n t s a n do p t i m i z a t i o nw e r ea l s om a d e0 1 1t h es y s t e m a tt h eb e g i n n i n g , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es y s t e m a t i cf r a m e w o r k t h e n ，a f t e r i n t r o d u c i n gt h ec u r v e s g e n e r a t i n ga l g o r i t t l m s ，t h ei n t e r s e c t i o na l g o r i t h mo f t h ec u r v e s i sr e s e a r c h e d b a s e do nt h i s ，t h e p a p e rr e a l i z e dt h e f u n c t i o no fc a t c h i n gt h e i n t e r s e c t i o np o i n t s u b s e q u e n t l y , am i n i m a l1 7 e g i o r l r e c o g n i t i o na l g o r i t h m w a s p r o p o s e d 一w h i c hi sa p p l i c a b l et oa r b i t r a r yr e g i o n s ，a r e rd i s c u s s i n g t h ek e y t e c h n o l o g yo fr e , o nr e c o g n i t i o n b a s e do nt h i sa l g o r i t h m ，an o v e lc o n c e p ta b o u t r e g i o nt r i m m i n gw a sp r o p o s e d t h e nt h ep a p e rr e a l i z e dt h em i n i m a lf e g i o nt r i m m i n g f u n c t i o n a tt h es a l n et i m e ，t h ep a p e rp r e s e n t e dam u l t i r e g i o nm e r g i n ga l g o r i t h ms o 船t om e r g es i m p l er e g i o n si n t oc o m p l i c a t e dr e g i o n t h ep a p e ra l s o r e a l i z e dt h e m e r g i n gr e g i o nt r i m m i n ga l g o r i t h m i no r d e rt om a k e3 ds i m u l a t i o n ，t h ep a p e re x p a n d e dt h e2 ds y s t e mp l a t f o r mi n t o 3 df i e l ds u c c e s s f u l l y , w h i c hp r o v i d e sa3 dd i s p l a yp l a t f o r mf o rt h el i t h o g r a p h y - b a s e d 一 些! 婴! 型燮燮 s m l 抓o no fm e m sp r o c e s s i n g a n de l t o ra n a l y s i s a 1 8 0 ，a 唧o n _ b a s e d 3 u e ) 【饥l d i n ga l g o r i m mw a s r e a l i z e di nt h i ss y s t e m i tc a r tb ea p p l i e df 0 2 5 d i d c a l m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o n i i la d d i t i o n ，t l l ep a p c rm a d es o m ei m p o r t a n ti m p r o v e m e n t sa n do p t i m i z a t l o n o n t h es v s t 鼬，眦l u d i n ga c c 埘yo p t i l l l i z a t i 呱o b j c c td e l e t i o n ，c o o r d i n a c e sm a p p m g a i l d u n d of u n c t i o n i i lt h ee i l d ，t h ep 印e rp r o v i d e dab r i e fs u m m a r i z a t i 。n a n de x p e c t a t i 。n 。ft h 6 w o r k k e y w 。出m e m s ，m a s kd e s i g n ，c c l l l a b o r a t i o n ，w 曲b a s e dc a d ，触g a l g o r i t h m ，3 de x t r u s i o n i i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人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。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 第一章绪论中国科学技术大学颈士论文 1 1 引言 第一章绪论 计算机辅助设计( c a d ) 是在产品开发过程中使用计算机系统辅助产品创 建、修改、分析和优化的有关技术1 1 】。采用计算机辅助设计系统来提高企业的产 品研发效率，是现代企业竞争与发展的必由之路。企业借助于计算机强大的存储 能力、快速的处理速度和交互式界面友好的图形能力，实现复杂的、离散的工程 设计或生产任务的自动化和集成化开发，以此来缩短产品开发的周期和降低生产 的成本。 然而传统的c a d 技术存在着一定的局限性：它们往往是以单一设计者为中 心来开发的，人机交互界面虽然友好，但是缺乏设计者之间的协同功能；它们通 常未能或者只是部分能做到数据的共享，尤其是在异构环境和异构软件中；另外 传统c a d 设计周期长，成本高，用户个性化需求难以满足：从人机环境一体化 的角度来看，传统c a d 缺乏对产品设计思想、设计进程、设计组织和设计信息 的协调与管理。因此传统的设计手段已经难以满足需求。随着计算机技术的迅猛 发展以及近年来世界各国对各种先进的设计、制造技术的研究不断深入，许多新 的计算机辅助设计方法和技术也应运而生。协同设计【2 1 、并行工程3 1 、虚拟制造 技术【4 】、精益生产聊、敏捷制造【6 j 、网络化制造川，绿色制造嘲等设计方法为企业 提供了广阔的发展空间。c a d 技术的应用领域也不断得到扩展。 m e m s 是微电子机械系统的简称。随着m e m s 技术的发展，c a d 技术也被 逐渐应用到m e m s 领域，成为m e m st 艺设计、仿真的一部分，并发挥越来越 大的作用。 1 2m e m s 技术与m e m sc a d m e m s 技术最早可追溯n - - 十世纪五十年代末期1 9 】【1 们。1 9 5 9 年，美国物理 学家、诺贝尔奖获得者r f e y n m a m 提出了微型机械设想。1 9 8 7 年，美国加州大 学b e r k e l e y 分校发明了基于表面牺牲层技术的微马达，世界各国兴起了对m e m s 研究的热潮。1 9 9 3 年，美国a d i 公司采用m e m s 技术成功地将微型加速度计商 第一章绪论 中国科学技术大学硕士论文 品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着m e m s 技术商品化的开端。二十 世纪九十年代，发达国家先后投巨资设立国家重大项目促进其发展。经过十多年 的研究，目前己有部分m e m s 器件实现了产业化，如a d i 公司的微型加速度计、 通用汽车公司和摩托罗拉公司生产的微型压力传感器、美国德州仪器( t o 公司生 产的数字微镜器件( d m d ) 、各种喷墨打印机的微喷嘴以及生物芯片等。m e m s 的应用领域十分广泛，包括从汽车行业、医疗、通信和航空航天到农业和军事等 各个方面。 m e m s 的微型化和集成化给m e m s 产品的加工带来很大的挑战。实现 m e m s 产品的工艺基础是微加工技术，包括以美国为代表的以集成电路加工技 术为基础的体微加工工艺、表面加工工艺和键合工艺等硅基微加工技术和以德国 为代表的l i g a 技术等【“i t l 2 1 。 体微加工工艺，是指对用作基底的晶片进行三维加工，通过各向同性腐蚀或 各向异性腐蚀在晶片内部腐蚀深坑、深穴和沟槽等。采用体微加工工艺加工出的 器件具有较高的深宽比，即结构的高度相对最小横向尺寸的比值较大，因而在许 多情况下可以获得较高灵敏度。目前国内外已经使用体微加工工艺研制出阀片式 微流量传感器等器件。 表面微加工工艺，也叫牺牲层工艺，是指在基底上进行结构生长的加工工艺。 采用表面微加工工艺加工m e m s 器件，定型精确，但所用的多晶硅材料的机械 及电学性能都不如单晶硅，并且多晶硅不宜于进一步加工。表面微加工工艺的优 点是在制造过程中所使用的材料和工艺与常规集成电路生产有很强的兼容性，因 而可将机械结构与电子电路很方便地集成在一起。使用表面微加工技术己制造出 静电驱动微电机和多晶体步进致动器等可运动或可转动的部件。 键合工艺，是指通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材 料紧密结合的工艺方法。键合工艺通常用来对微结构进行支撑和保护，也可以实 现机械之间或机械结构与集成电路之间的电穴连接。使用键合技术己经制造出微 惯性器件和微压力传感器等器件。 l i g a 技术，是l i t h o 孕a p h i e g a l v a i l o f o i i l i 岫g 和a b f o r m 眦g 三个德文词的缩 写，指利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸成型形成深层微结构的加工 工艺。与体微机械加工技术相比，l i g a 技术具有深宽比较高、结构精细和加 第一章绪论中国科学技术大学硕士论文 工精度高等优点。与表面微加工技术相比，它又具有深宽比较高，可构成三维微 结构的优势。l i g a 技术的应用范围很广，使用l i g a 技术已开发和制造出微齿 轮、微过滤器、微红外滤波器以及微加速度传感器等。 相对硅基微加工技术和l i g a 工艺，不采用掩模的特种微细加工技术，如微 细激光成型、微细电火花加工以及微细机械加工等加工方法近年来也取得较大进 展，并成功应用于三维微小机械结构成型上。 经过十多年的发展，m e m s 技术己取得相当的成就，但m e m s 技术还不成 熟，仍在不断发展，表现出以下的发展趋势： 1 ) 研究领域多样化： 2 ) m e m s 器件结构和功能复杂化； 3 ) m e m s 系统集成化； 4 ) 新材料和新工艺不断出现； 5 ) m e m sc a d 技术越来越受重视。 m e m sc a d 技术是m e m s 技术与c a d 技术相结合的产物，自二十世纪八 十年代末m e m s 研究兴起以来，m e m s 结构设计、制造工艺和材料特性等方面 的研究已获得长足进展。然而，目前在m e m s 产品的设计开发过程中通常采用 设计一加工样件一测试优化设计的循环过程，大大增加了研究的周期和成本。 因此专门用于m e m s 产品开发的c a d 系统近年来已经引起研究人员的注意。建 立m e m sc a d 系统，帮助设计者以尽量少的产品原型完成产品的制作，且达到 设计精度要求，将大大缩短研究周期，节约研究成本。这对理论研究与实际加工 工艺都具有重要的意义，并将加速m e m s 研究走向产业化、实用化的进程。 与传统的c a d 相比，m e m sc a d 具有如下特点： 1 图形尺寸小，图形单元的设计往往在几十微米到亚微米级。因而要求设 计平台必须具有较高的设计精度。 2 大部分m e m sc a d 中都提供如下一些功能：1 ) 常用单元的参数化设计， 用以提高设计效率和单元的重复使用价值；2 ) 参数化的图形的阵列功能和图形 的组合功能；3 ) 特殊图形发生器。建立几种特殊图形的发生器，提高对不规则 图形单元的设计能力。受制造条件的限制，图形往往比较简单。4 ) 仿真功能， 用以对设计和加工过程进行仿真，从而指导设计和加工过程。 第一章绪论 中国科学技术大学硕士论文 3 m e m s 设计对数值分析的依赖性更强。在仿真计算中，对微小尺度的光 学i 临近效应，微结构的设计及力学行为，材料的化学物理特性对工艺的影响，无 不需要快速有效的数值计算方法。 4 m e m s 器件的设计和制造工艺联系非常紧密。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。 5 多领域专家协同设计。m e m s 设计需要电子，机械，流体，物理，化学， 力学和材料等多个学科的知识，而设计者很难精通上述所有领域，因此实现多领 域专家协同工作显得尤为重要。 基于以上特点，本课题组提出了一种基于协同环境的m e m sc a d 系统框架。 它包含掩模图形设计平台、光刻仿真和优化设计三个模块。本文工作的目的就是 要建立一个适合于掩模图形设计的w e b 协同c a d 系统。 1 3 基于w e b 的协同设计 基于w e b 的协同设计是计算机支持的协同设计框架下的一个组成部分，是 其在网络环境下的一个重要应用。 计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r tc o o p e r a t i v ed e s i g n , c s c d ) 是近 年来新出现的一种产品开发设计模式，受到国内外众多研究机构和企业的重视。 设计问题是一个典型的具有分布、动态特征的群体求解问题。复杂产品的设计， 如飞机或汽车的设计常常被分解为小的设计问题进行解决，这不仅需要不同领域 的知识和专家经验，更重要的是要有综合和协调这些经验知识的有效机制和知识 来耦合不同专家的设计任务【1 3 l 。此外在传统的c a d 中，人们多数采用串行迭代 的方法，不能有效地处理例如分布在不同地域设计者并行协同设计的问题。而另 一方面，即使对于同一地区的设计者，虽然信息的交流相对顺畅，但是由于传统 的设计模式使得设计工作不够灵活，在实际设计中，群体成员之间的工作往往缺 乏全局性考虑。由于各个分布执行的设计步骤之间的协调不够，全局意识差，易 造成设计的缺陷或隐患，使设计方案的后期修改费用激增，开发周期加长，成本 大大增加。因此，如何更好的开展设计工作成了摆在世界各国面前的一项重要课 题，越来越引起人们的重视。 其实，协同的概念自远古时代就已被人类祖先所认识，人类早期的协同工作 第一章绪论中国科学技术大学硕士论文 体现在社会分工和工种的不断细化上。到了近、现代，企业和企业之间，企业内 部各部门之间的协作越来越紧密和深化，而随着信息技术的发展，协同工作的理 论更是获得了空前的发展。在2 0 世纪6 0 年代，美国的d e n g l e b a r t 发表了一篇 论文【l ”，开创了对协同系统的研究工作。2 0 世纪7 0 年代，德国物理学家h e r m a n h a k o n 提出了“协同学”的概念。1 9 8 4 年m i t 计算机系的i r e n eg r e i f 和d e c 公 司的p a u lc a s h m a n 对群体间的协作进行了研究，正式的提出了c s c w ( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ，计算机支持的协同工作) 的概念1 1 5 】。计算机支持 的协同设计是c s c w 的一个重要领域，也是当前设计领域的一个热点。它通过 协同设计系统向设计人员提供一个开放的分布式的协同工作环境，强调设计者采 用群体工作方式，从而不同程度地克服和改善了传统设计中项目管理与设计之间 和不同设计阶段之间脱节，设计周期过长、设计费用高及设计质量不易保证等弊 端。 计算机支持的协同设计以计算机和信息技术为基础，支持多个设计人员参加 一个共同的任务，并提供他们访问共享环境的接口，多个设计人员为了完成一个 共同任务而组成一个工作群体。协同设计系统为这个群体提供协同支持。它的基 本要求为【1 6 】：支持分布式访问；支持多用户同时或先后的访问；良好的交互性， 包括可靠的同步或异步交互工具和良好的用户交互界面；为了保证结果的正确 性，可以对用户的行为进行协同控制；开放性和可扩展性；能够对大量的信息进 行有效的管理和保密工作。网络技术的快速发展为我们提供了一个很好的信息交 互平台和一个分布环境。计算机支持的协同设计技术和网络技术的结合，把协同 工作的研究推向一个新的领域。借助计算机网络良好的信息传递、交互性能和优 秀的分布式体系结构，将使协同设计工作变得更加有效、简单、迅速和更加开放。 基于w e b 的协同设计具有如下特点： 首先，在网络环境方面，它完全通过w e b 网页的方式进行工作，不需要任 何的客户端应用程序，而且客户端也不需要安装任何的插件； 其次，w e b 是一种基于统一资源定位器( u r l ) 、超文本传输协议( h t t p ) 和超文本标志语言( h t m l ) 的网络多媒体组织和服务形式。它对i m e i n e t 而言 是一种高层的网络通讯协议和一个有效的信息组织形式，同时也是一个友好的图 形用户界面； 第一章绪论 中国科学技术大学硕士论文 再次，各成员主要围绕一个设计项目来承担相应的部分设计任务，交互地进 行设计工作，而对其他工作，如产品的制造，销售与管理等暂不考虑。一般认为 协同设计具有如下的内涵：l 、协同设计是一个协同工作的过程；2 、协同设计是 一个通信处理过程；3 、协同设计是一个知识共享和集成的过程；4 、协同设计是 一个管理的过程。 基于w e b 的协同设计与c a d 有着紧密的关系。从企业协同设计的角度来 看，传统的c a d 技术存在一些严重的缺陷：l 、就这些软件系统的周有本质特 征而言，它们是以单一设计者为中心来开发的，人机交互界面往往非常友好，但 是缺乏设计者之间的协同功能；2 、这些软件系统未能或者只是部分能做到数据 的共享，特别是在异构环境和异构软件中的信息交流功能很弱：3 、传统c a d 设计周期长，成本大，用户需求难以满足；4 、从人机环境一体化的角度来看， 传统c a d 缺乏对产品设计思想、设计进程、设计组织和设计信息的协调与管理。 基于w e b 的协同设计与c a d 技术紧密结合，就能从底层构建基于v t e b 的c a d 系统，将c a d 从一种独立的桌面工具变成一个支持协同合作的开放系统。 1 4 课题研究背景与意义 自从二十世纪九十年代出现m e m sc a d 系统与工具以来，研究人员己经研究 和开发出了较多的m e m sc a d 系统。目前国外主要有c o v e n t o r w a r e “、 i n t e l l i s u i t e 悯、m e m s c a p n 9 1 和s o l l 0 1 s 例等系统，国内北京航空航天大学。”、 东南大学嘲和北京大学。3 “2 “等也分别研制开发出了各种m e m sc a d 的系统。 其中，c o v e n t o r w a r e 起源于1 9 9 2 年m i t 的s e n t u r i a 小组所最先开发出第 一个m e m sc a d 系统m e m c a d 系统嘶3 。使用m e m c a d1 0 进行m e m s 设计时，首先利 用结构仿真器根据版图和工艺描述生成三维几何实体：然后再根据工艺历史从材 料属性数据库中查找到相应的材料属性并赋予所生成几何实体的相应部分，完成 器件三维模型的生成：最后对生成的器件模型使用相应的工具分析其电气和机械 特性。m e m c a d1 0 是最早的专用m e m sc a d 系统，主要考虑了结构仿真器、材料 数据库以及机械和电气分析等基本方面，没有涉及到复杂的多能量场祸合以及宏 模型和系统级模型的生成等方面。经过十多年的发展，m e m c a d 更名为 c o v e n t o r w a r e ，其功能也不断得到增强。c o v e n t o r w a r e 最新版本主要包括以下 第一章绪论中国科学技术大学硕士论文 几个模块： a r c h i t e c t ：提供可定制的自顶向下设计和并行设计环境，拥有 e l e c t r o m e c h a n i c a i o p t i c a l r f f 1 u i d i c 器件的模型特性参数库，给用户提供 系统级的m e m s 设计与仿真功能。 i n t e r g r a t o r ：提取m e i “s 器件特性参数，用于系统级仿真分析。 d e s i g n e r ：提供m e m s 器件版图设计、材料库、工艺过程检验和三维模型生 成功能。 a n a l y z e r ：提供完备的m e m s 器件仿真功能，包括有限元和边界元仿真、微 流体分析和多场祸合问题的求解等。 c o v e n t o r w a r e 是目前功能较强的m e m sc a d 系统，可对设计制造的全过程进 行仿真，包括工艺过程检验、有限元及边界元分析仿真、微流体分析、多物理场 祸合分析与m e m s 系统级仿真等。但在c o v e n t o r w a r e 的自顶向下设计中，系统基 于用户示意图表示的参数化模型中的几何信息自动生成掩模和版图，因此这样的 自顶向下设计完全依赖于模型特性参数库。 从协同设计的角度来看，当前，基于网络的协同设计及相关领域的研究也非 常活跃，美国加州大学伯克利分校于，9 8 年的c y b e r e u t 项目中在世界上首次在 i n t e r n e t 下实现了基于a g e n t 网络设计制造环境1 2 6 1 ，并集成了c a d ，c a p p 和c a m 。 在该项目中，用户在w e b 下载伯克利分校开发的设计a g e n t ( j a v aa p p l e t 形式) w e b c a d ，并选择不同的制造a g e n t ，在设计过程中可以动态和服务器上的工艺 a g e n t 通信，工艺a g e n t 从制造a g e n t 获得相应的信息如工件尺寸约束、公差或 者费用等，进行基于特征的设计，从而在设计过程中完成了工艺设计，实现并行 设计，该系统最后的加工在铣床上完成。【2 7 】【2 8 l 世界上c a d c w 几大巨头也相继推出了网络相关功能。例如，例如美国 e d s 公司在其u g 软件中增加了有关w e b 技术的内容，为用户提供了一套工具， 该工具将u g 连接到w e b 服务器上，可通过浏览器来修改u g 模型，用户可利 用u g 零件和装配件数据来创建w e b 页面，提取u g 的数据，并支持各种不同 w e b 格式的u g 模型图象文件，如c g m ，v r m l ，t i f f ，m p e g ，g i f 和j p e g 等。i b m 公司的c a t i a 系统也提供了应用于w e b 的解决方案( c a t w e b ) ，审核 人员可在i n t e r a c t 上通过w e b 浏览器审查产品设计结果，并可对其中的问题进行 第一章绪论 中国科学技术大学硕士论文 批注，提示设计人员进行相应的修改。此外s d r c 公司在其推出的i - d e a s 8 及 后续版本大大增强了网络化功能，它允许用户在任意计算机上，利用浏览器直接 远程登陆进入i - d e a s 用户群体，浏览产品结构，查看计算结果，观察动画或批 录图纸。 近年来，国内也开始重视基于网络的c a d 技术的研究，8 6 3 计划c i m s 主 题“基于w e b 的产品异地设计制造应用互操作软件”项目以机器人产品的异地 设计制造和机器人应用工程为背景，研究并开发了面向产品异地设计制造，基于 w e b 的分布式应用软件，实现了产品设计图，应用工程图，产品设计制造数据 库，文件文档等异构信息资源与i n t e r n e t i n t r a n e t 的无缝接入，实现了对产品设计 图等设计制造资源的远程访问、修改、查询、认证和传送。西安交通大学实现了 基于网络的多c a d 系统信息共享集成环境框架1 2 9 。浙江大学提出了基于 w e b s c r v i c e 的分布式协同c a d 系统框架【3 0 】。西北工业大学利用u g v 1 5 二次 开发，研究了基于i n t e m e t 的协同c a d 实现技术f 3 l 】。南京航空航天大学基于商 业a c i s 几何平台，设计实现了网络化的c a d 系统w e b s u p e r m a n 3 2 】1 3 3 l 。 然而目前的协同设计系统依然存在不少问题，不少的协同设计系统并不是基 于w e b 模式的，它们提供自己的客户端桌面工具与服务器端连接，客户端需要 安装客户端程序。对分布式系统来说这样并不是一种明智的选择，特别是在异构 环境下，一个软件可能要同时提供w i n d o w s ，l i n u x ，s o l a r i s 等众多版本，配置 起来也相当麻烦。有的协同系统虽然是基于w e b 模式的，但是并没有充分利用 w e b 强大的信息服务和交互功能，只是简单利用w e b 来做一些传递信息的工 作，例如，在网页上输入一些参数，提交给服务器，然后从服务器返回计算的结 果，这样的交互过程对协同设计来说是远远不够的。还有一部分是面向协同设计 产品数据的管理技术的研究与开发。不可否认，p d m 是构建协同设计环境的关 键使能技术，成熟的p d m 系统能够使所有参与创建、交流和维护设计意图的工 作人员在整个产品生命周期内自由共享和交换与产品相关的所有数据。但是对协 同设计来说，这些并不是核心的技术。而对于国内的协同设计系统，由于大多基 于国外的软件平台作开发，没有自主版权，在应用上将受到很大的限制。 为此，经过多年努力，本课题组已经初步开发了一套拥有自主版权的协同 w e b c a d 系统。该系统具有多用户、异地、跨平台、实时交互的特点。可以进 第一章绪论中国科学技术大学硕士论文 行一些简单的二维图形设计。满足作为m e m sc a d 系统设计平台的环境要求。 然而，w e b c a d 系统进行掩模图形设计还存在不少问题。 现代m e m s 加工中，掩模版图的形状通常极其复杂，很多形状必须依靠大 量对象的组合、裁剪来生成。高效、快速的复杂图形生成工具必不可少。 并且，原有w e b c a d 系统缺乏裁剪、删除、区域生成等基本工具，数据精 度低、坐标系映射错误、交点错位等问题也无法满足复杂图形设计的需求。另外， 纯二维的环境也给m e m s 两维半的加工仿真带来了困难。 因此，从事适合于掩模图形设计的w e b 协同c a d 系统还具有大量的研究 工作要开展。 1 5 课题研究内容 基于以上考虑，本文利用现有技术和研究基础，致力于开发一种适合于掩模 图形设计的w e b 协同c a d 平台，使之一方面继承原系统基于w e b 的，跨平台 的，支持多用户的，异地，实时交互的优点，另一方面，通过完善其设计功能， 使之适合于复杂图形的高效、快速生成。并解决实现过程中的一系列重点、难点 问题。同时为二维系统集成三维展示环境，为系统的三维仿真提供了平台基础。 另外，针对原有系统存在的问题，对其做一些重要改进和优化。解决其精度、对 象删除、坐标系映射等方面的存在的局限。 为此，确立本文的研究内容如下： 1 通过对系统中对象生成算法的分析，研究并实现对象的相交算法与交点 捕获问题。 2 分析对象裁剪问题的关键技术，提出一套适合于本系统的对象裁剪方法 并加以实现。 3 研究区域识别的关键技术，提出一套适用于对任意复杂图形区域进行识 别和提取的完备的最小区域识别方法，并在此基础上提出了区域裁剪的 新概念，实现最小区域裁剪算法。 4 为了实现复杂图形区域的快速生成，提出一种多区域合并算法，可方便 地通过对简单区域的拼合来得到复杂区域，并实现基于多区域合并的区 域裁剪算法。 第一章绪论中国科学技术大学硕士论文 5 为二维系统集成三维平台，并开发区域的三维拉伸算法，使之适用于对 掩模进行2 5 维的理想图形仿真。为基于光刻的m e m s 加工仿真、误差 分析准备三维展示平台。 6 对原系统中存在的重要问题提出改进和优化方法，包括：精度优化、对 象删除、坐标系映射，撤消功能完善等。 1 6 论文的组织架构 本文围绕着面向掩模图形设计的网络协同c a d 系统的构建，行文中对系统 实现过程中的各种问题进行展开。全文组织架构安排如下： 第一章：简要介绍了相关的概念和背景知识，提出本文工作的研究意义和主 要研究内容。 第二章：概述了m e m sc a d 系统的总体框架及本系统在其中所处的位置， 介绍了原有系统的总体架构。 第三章：通过对系统中对象生成算法的介绍与分析，研究并实现了对象的相 交算法与交点捕获问题。同时分析对象裁剪问题的关键技术，提出一套适合于本 系统的对象裁剪方法并加以实现。 第四章：具体研究了区域识别的关键技术，提出了一种区域裁剪的新概念并 实现了最小区域裁剪算法。同时为了便于复杂图形区域的快速生成，提出了一种 多区域合并算法，并实现了基于多区域合并的区域裁剪算法。 第五章：详细介绍了三维平台的构建方法，并研究了三维拉伸算法的实现方 法与步骤。 第六章：对原系统中存在的重要问题提出了改进和优化方法，包括：精度优 化、对象删除、坐标系映射，撤消功能完善等。 第七章：介绍了系统有代表性的几个应用的演示，包括：对象裁剪，区域裁 剪和三维拉伸。 第八章：总结了全文的工作，并对后续的研究工作提出了建议和展望。 第二章系统总体设计 中国科学技术大学硕士论文 第二章系统总体设计 本章首先将对m e m sc a d 主系统作总体框架的介绍，并从中引出本文系统 在其中所处的位置，然后介绍本文系统的设计目标，协同技术方案的选定以及本 系统的系统架构。 2 1m e m sc a d 总体框架 建立m e m sc a d c a m 系统，帮助设计者以尽量少的产品原型完成产品的 制作，且达到设计精度要求，将大大缩短研究周期，节约研究成本。这对理论研 究与实际加工工艺都具有重要的意义。本课题组基于u v - l i g a 技术，利用已有 的技术和研究成果，对光学光刻c a d 系统的总体设计有一些初步的构想。 本研究最大的特点是，以提高设计效率和制作精度为中心，在设计阶段就通 过理论模拟，预测后续工艺所带来的误差，发现光刻胶微结构的制作缺陷，并通 过调整设计方案以减少甚至消除误差，从而解决设计与工艺脱节的问题。 具体来说主要有： l ，方便实现二维、三维结构造型，运用三维图形图像技术，实现光刻数据 的高精度三维重建，和高逼真度仿真显示。 2 ，建立快速有效的光刻理论模型，分析光刻中误差变化规律，根据仿真结 果调整设计方案，以提高设计及制作精度 3 ，利用三维实体技术对光刻误差进行定量分析。 4 ，构建协同设计平台，各领域专家可以协同设计，及时讨论掩模设计和加 工中出现的问题，以提高设计效率。 5 ，掩模设计，仿真分析以及设计优化基于同一j a v a 平台，有利于在网络 环境下实现无缝集成。 这个系统将集成设计平台，光刻仿真以及设计优化三个基本模块，形成一个 有机的整体m e m sc a d 软件系统，用于进行理论分析和光刻胶微结构的误 差预修正。其系统框架如图2 1 所示，首先针对器件功能，几何信息以及工艺条 件等进行掩模设计。然后对所设计的掩模图案，根据工艺条件以及相关的理论， 第二章系统总体设计 中国科学技术大学硕士论文 进行光刻仿真。接着对仿真的结果进行误差分析，如果满足要求，则将此设计方 案输出，否则对掩模的设计方案进行优化。重复这个过程直至u 找到一个较优的设 计方案。 几何 信息 拖模图形l p - - - - 。一 必 i n 囊铽掩霉要鞴鬻爹三输出描述，广+ k 孽计，荨 i t 仿真翻r 遐：多夕搠出 制造 条件 璺曩曼、角差分析 丛影颔拄一 部分相干宪、 l 理论计算 图2 1m e m s c a d 的系统框架 以下将对设计平台，光刻仿真以及设计优化三个基本模块分别进行介绍。 设计平台 掩模图形设计要在一个c a d 系统上进行。在本课题组多年的努力下 【3 4 】【3 5 】【3 6 1 ，一个极具特色的协同设计平台已经初步构建起来。这是一个基于w e b 、 支持多用户、实时交互、跨平台的异地分布系统，它将提供给用户一个协同工作 的应用环境，在这个环境中，众多用户可以实时的对掩模图案进行协同设计以及 充分的交流讨论。其系统框架如下图所示 w e b 浏览器 w 曲 浏览嚣 w e b 浏览器 用 户 界 面 客户端服务器端 安全管理 访问控 制策略 离trallscctvef1 也竿到辈 l 一t 一。r y d b c 驱动 通讯模块 m e s s a g e s c h a n n e l 图2 2 设计平台的系统框架 錾娈骐文件资源 数据库i 、l ，。j 丁1 孺酉卜 安全管理 模块 数据管理 模块 茎詈 第二章系统总体设计 中国科学技术大学硕士论文 这是一个包括客户端，服务器端，数据端三层结构的系统。数据端包括用户 信息以及文件资源。服务器端通过数据管理模块与数据端连接，又通过安全管理 模块以及通讯模块，以消息传递的方式与客户端相连。客户端是用户进行图形设 计，审核以及讨论的工作空间。它包括图形用户界面，图形数据等模块。 客户端作为图形设计以及用户信息交流平台，要求其交互界面必须是友好和 生动的。由于本文的主要工作是进行设计平台的开发，因此本章后面的篇幅还会 对此作深入介绍。 光刻仿真 光刻仿真包括两个方面，一是光刻理论模型及其理论计算，二是仿真结果的 显示，光刻仿真软件大量应用了三维重建与可视化技术，用来仿真运算结果，包 括光强分布的显示，二维和三维光刻胶图形轮廓等。 光刻仿真流程图2 3 所示：对掩膜图形进行光学计算，得到理想的m e m s 器件立体图形和光刻胶内部的光强分布；对光刻胶内部的光强分布数据进行三维 重建，得到m e m s 器件的仿真立体图形；理想的m e m s 器件立体图形和m e m s 器件的仿真图形进行布尔运算，可以求出两者之间的形状误差。 图2 3 光刻仿真流程 m c 算法主要用来绘制等值面，当等值面与数据场边界相交时，重建生成的 三维形体外表面在数据场边界处会产生空洞，我们提出了一种可以将这些空洞补 全的方法，使用该方法进行三维重建生成的三维形体具有完整的外表面和良好的 可视化效果。在三维重