基于IP库的MEMS设计——设计方法和器件研制

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1、摘要微电子机械系统(MEMS)是多种学科和领域交叉融合的技术。随着加工工艺技术和计算机技术的发展，计算机辅助设计和虚拟现实被引入到了MEMS设计中，促进了MEMS的发展。本文针对MEMS设计系统中机械性能仿真不足、设计与加工脱节、缺少工艺验证等问题，借鉴了IC设计可重用思想，引入了具有知识产权的功能模块——IP的概念，提出了基于IP库的MEMS设计方法。该方法是Top—Down和Bottom．Up设计相结合的方法，其核心是MEMSIP库，关键技术包括IP库、虚拟工艺、虚拟运行等。本文的主要工作包括以下几个方面：建立了基于IP库的MEMS设计系统，该系

2、统主要有三部分组成：MEMSIP库，虚拟工艺(工艺级仿真系统)和虚拟运行(MEMS器件行为级仿真系统)。MEMS设计的IP描述了MEMS器件的行为级特性和其他加工信息等，IP库的概念充分体现了MEMS设计的可重用性。首先，虚拟运行体现了基于Top．Down的设计方法，首先从IP库中选取组成器件的单元(也称为IF)，通过虚拟组装综合在一起，建立动态运行规律，进行动态性能仿真，并最终生成器件的版图和工序。其次，在Bottom．Up设计中，设计者从虚拟工艺出发，输入版图和工序从而生成器件的三维实体，完成工艺级别的仿真，最后提交到虚拟运行中进行动态性能的仿真

3、和评测。通过对DRIE(高深宽比硅刻蚀)工艺技术以及线一单元混合模拟算法的研究，建立了基于缓冲区结构的DRoPIE．2D工艺仿真系统，其中主要包括了缓冲区算法、Hash映射、积分分段算法、对称算法、刻蚀优化算法五个模块，同时通过参数优化算法增强了LAG效应的模拟效率；最后，建立了DROPIE．3D工艺模拟框架，为虚拟工艺的Bottom．Up设计提供了基于物理模型仿真的基础。建立了虚拟运行的实现框架。虚拟运行的功能是建立每个元件(IP)的动态运动规律之上，利用虚拟现实技术，完成所设计器件在虚拟环境中的运动演示。虚拟运行主要由三部分组成：MEMS运动规律

4、模型库，动态运动规律和三维可视化。同时，针对虚拟运行中运动规律的联立、求解和实时仿真等问题，提出并建立了运动规律求解器的概念和框架。最后，以电容式微加速度计设计为例，对双粱、四梁、疏齿等6种不同的结构分别进行了设汁仿真、流水加工、封装和测试的过私，完成了器件从设计到成品的整个流程，验bET本文提出的设计方法和设计系统的有效性和正确性。关键词：MEMSIP虚拟工艺虚拟运行微加速度计LAG效应AbstractMicro—Electro—MechanicalSystem(MEMS)isanewlytechnologyinmulti—disciplinary

5、andcross-cuttingareas．AlongwiththeboastingofMEMSfabricationandcomputerscience，compnter-aideddesignandvirtualrealitytechnologywereintroducedintotheMEMSdesign，whichpromotingthedevelopmentofMEMS．However,manyofMEMSCADnowadaysisstillfacingsometechnicalissuessuchaslackofprocesscertif

6、ication，weakvisualizationofmechanicaldynamicsimulation，deviationbetweentheinadequatedesignmodelandthefabricationresult．Inthisthesis，anewlyIP—basedMEMSdesignmethodologyisproposed，whichisthecombinationofTop-DownandBottom-Updesign．ThekeytechnologyincludesIPlibrary,VirtualOperation

7、andVirtualProcess，functionallyaSthecorereusablecomponentmanagerment，behaviorandfabricationsimulatorsrespectively．Themainresearchcontentsareasthefollowingaspects．AMEMSdesignsystembasedonIPlibraryisestablished．Thesystemhasthreemaincomponents：MEMSIPlibrary,VirtualProcess(Process—l

8、evelsimulationsystem)andVirtualOperation(MEMSbehaviora