專利名稱：微電子機(jī)械器件的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種微電子機(jī)械器件的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1988年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校用微電子技術(shù)制成多晶硅靜電馬達(dá)，轉(zhuǎn)子直徑為120um，從此開(kāi)創(chuàng)了微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)的歷史。一般理解為MEMS是微力加工技術(shù)制造出來(lái)的具有一定機(jī)械特性的器件，這種器件一般都包含有相同或相近尺度的傳感和控制部件，常見(jiàn)的MEMS器件如微馬達(dá)、微泵、微加速度計(jì)等。
雖然MEMS一般也是用硅加工工藝來(lái)制作的，但是它和集成電路有著本質(zhì)的不同。集成電路是通過(guò)器件的電性質(zhì)(開(kāi)關(guān)、延遲、放大…)，實(shí)現(xiàn)要求的邏輯功能；而MEMS主要是實(shí)現(xiàn)某些機(jī)械的運(yùn)動(dòng)功能，集成電路可能只是它的控制部分，由此帶來(lái)MEMS的一些區(qū)別于集成電路的本質(zhì)特征1)MEMS的結(jié)構(gòu)是三維的，而集成電路是平面結(jié)構(gòu)的；2)MEMS有機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能，所以MEMS在運(yùn)行中，它的某些部件是要產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的，而集成電路則沒(méi)有；3)對(duì)MEMS運(yùn)動(dòng)的分析是多個(gè)物理過(guò)程(電、熱、力、磁…)的綜合，而集成電路主要是電的過(guò)程；4)MEMS由于其結(jié)構(gòu)的三維特征，所以加工工藝中將不同于集成電路加工的平面工藝。
迄今為止，集成電路的模擬、仿真直至評(píng)測(cè)已有了非常完善的設(shè)計(jì)工具，并已成為設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分，對(duì)設(shè)計(jì)的成功、可靠、高效都已起到?jīng)Q定性作用。而對(duì)MEMS而言，還幾乎是空白；這和MEMS發(fā)展的成熟程度有著直接關(guān)系。當(dāng)然，這并不意味著MEMS不需要這樣的工具和系統(tǒng)。相反，由于MEMS的功能多樣、加工復(fù)雜、分析困難、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高等。特別需要一個(gè)能包括運(yùn)動(dòng)仿真、評(píng)測(cè)在內(nèi)的設(shè)計(jì)工具和系統(tǒng)。這是當(dāng)前推動(dòng)MEMS發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有微電子機(jī)械器件的設(shè)計(jì)加工方法存在加工復(fù)雜、分析困難、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題，提供一種能包括運(yùn)動(dòng)仿真、評(píng)測(cè)在內(nèi)的設(shè)計(jì)工具和系統(tǒng)，即一種微電子機(jī)械器件的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明提供的微電子機(jī)械器件的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法包括以下步驟一、部件庫(kù)的建立部件為組成MEMS的基本單位；用部件可組成MEMS器件；同時(shí)，器件又可以是一個(gè)新的部件，可用來(lái)組成規(guī)模更大的MEMS器件。
(一)部件可分為兩類1、不具有運(yùn)動(dòng)性能的部件(簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)部件)。結(jié)構(gòu)部件將由一個(gè)參數(shù)組來(lái)描述，這些參數(shù)包括部件的幾何形狀、材料、可裝配性參數(shù)、尺寸參數(shù)等。
2、具有運(yùn)動(dòng)性能的部件(簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)部件)。運(yùn)動(dòng)部件除結(jié)構(gòu)部件所具有的參數(shù)外，還需要有它的運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如金屬膜受熱后的變形，懸臂梁受力產(chǎn)生彎曲等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對(duì)組裝成的MEMS器件進(jìn)行性能考察時(shí)，必須要求運(yùn)動(dòng)部件能依照其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這就需要與結(jié)構(gòu)部件相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型(數(shù)學(xué)模型)，動(dòng)態(tài)模型的解就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。
總之，運(yùn)動(dòng)部件的描述除相應(yīng)的參數(shù)組外，還有與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型及其解(也可能是在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值求解)。
(二)部件庫(kù)的建立有兩種途徑1、將已經(jīng)運(yùn)行成功的MEMS的部件或?qū)⑵骷鸪蛇m當(dāng)?shù)牟考鳛椴考?kù)的元素進(jìn)入部件庫(kù)。
2、從已經(jīng)設(shè)計(jì)好的部件版圖，通過(guò)虛擬工藝生成MEMS部件進(jìn)入部件庫(kù)。
部件庫(kù)是所建環(huán)境的基礎(chǔ)，是部件的集合，從功能意義上為部件提供可存儲(chǔ)和可重用機(jī)制。部件庫(kù)中的大部分基本單元應(yīng)該用面向?qū)ο蟮姆椒枋?，并具有可繼承性。因此部件庫(kù)是一種面向?qū)ο蟮?、?dòng)態(tài)的部件存儲(chǔ)庫(kù)，需要采用一種面向?qū)ο蟮拇鎯?chǔ)方式，以現(xiàn)有的常用數(shù)據(jù)庫(kù)方式來(lái)存儲(chǔ)部件庫(kù)在知識(shí)的表示、數(shù)據(jù)的搜索/插入/更新等操作都比較困難。我們采用目錄/文件的方式存儲(chǔ)部件庫(kù)的每個(gè)元素及關(guān)系，通過(guò)索引表取得每個(gè)元素的路徑。以目錄/文件為存儲(chǔ)規(guī)則的部件庫(kù)其特點(diǎn)是對(duì)元素采用文件存儲(chǔ)和索引位置方式，所以部件的屬性類是一個(gè)文件的連接指向。
二、仿真工藝設(shè)計(jì)本發(fā)明采用專家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)工藝仿真技術(shù)(也稱虛擬工藝技術(shù))，其中工藝模型表現(xiàn)為專家知識(shí)，部件三維形狀獲取對(duì)應(yīng)推理機(jī)的推理過(guò)程，三維形狀顯示作為解釋機(jī)。
(一)工藝模型即專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)在虛擬工藝研究中，工藝模型表示非常關(guān)鍵；工藝模型的獲取本身就比較困難，而且也不可能一次性獲取全部工藝模型，實(shí)際模型往往需要不同專家長(zhǎng)時(shí)間的積累并可能對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修改。因而，從將來(lái)虛擬工藝的使用者角度考慮，希望虛擬工藝中工藝模型的表示具有一定的智能，系統(tǒng)在使用時(shí)可以隨時(shí)對(duì)這些模型進(jìn)行增、刪、改，而不需要對(duì)整個(gè)虛擬工藝系統(tǒng)進(jìn)行重新編程。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)虛擬工藝系統(tǒng)時(shí)引入了專家系統(tǒng)的技術(shù)，將版圖描述和工藝流水方面的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)都放到專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中。
(二)推理機(jī)部分將部件三維形狀獲取部分作為專家系統(tǒng)的推理機(jī)部分。
(三)解釋機(jī)部分將三維顯示部分作為專家系統(tǒng)的解釋機(jī)部分。
在專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)是分離的，對(duì)知識(shí)庫(kù)的增、刪、改都不會(huì)影響到推理和解釋部分；這樣更有利于解決MEMS設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，使虛擬工藝庫(kù)有更好的靈活性和可擴(kuò)充性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的可用性?；趯＜蚁到y(tǒng)技術(shù)的虛擬工藝實(shí)現(xiàn)方法，可以很好地解決MEMS加工工藝的多樣性和差異性的問(wèn)題。
圖1給出了基于專家系統(tǒng)技術(shù)的MEMS虛擬工藝庫(kù)總體結(jié)構(gòu)。其中包括人機(jī)接口、公用數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和解釋部分組成。人機(jī)接口部分簡(jiǎn)化為讀取MEMS人員提供的幾個(gè)文件(layout文件中為版圖數(shù)據(jù)、layer文件中為層描述數(shù)據(jù)、*.prc文件為工藝過(guò)程數(shù)據(jù)、footprint文件中為襯底數(shù)據(jù))，并提取有用數(shù)據(jù)；公用數(shù)據(jù)庫(kù)中存放初始數(shù)據(jù)和過(guò)程中生成的一些數(shù)據(jù)；材料描述和工藝流水方面的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)都作為專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，其中材料描述放到材料知識(shí)庫(kù)中，工藝流水方面的知識(shí)分為兩個(gè)庫(kù)工藝知識(shí)庫(kù)和過(guò)程知識(shí)庫(kù)；三維圖形顯示部分作為專家系統(tǒng)的解釋機(jī)部分；部件三維形狀獲取過(guò)程部分對(duì)應(yīng)推理機(jī)的推理過(guò)程。圖2所示為通過(guò)專家系統(tǒng)推理過(guò)程獲取部件三維形狀的流程。
仿真工藝的任務(wù)是，按照實(shí)際工藝過(guò)程將實(shí)際微電子工藝流水線支持的版圖文件的平面分層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)者習(xí)慣的三維圖形學(xué)描述。結(jié)合本系統(tǒng)特有的特點(diǎn)，我們引入了專家系統(tǒng)技術(shù)。運(yùn)用專家系統(tǒng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬MEMS加工工藝，設(shè)計(jì)虛擬加工工藝的體系結(jié)構(gòu)。這里面專家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)是一個(gè)不斷積累的過(guò)程，需要把新的規(guī)則和信息提取到專家知識(shí)庫(kù)中。進(jìn)一步，可以把北大微電子在版圖描述和工藝流水等方面的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)信息放到專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中，并利用兩個(gè)MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝(表面微加工工藝和硅體微加工工藝)來(lái)實(shí)現(xiàn)新的MEMS器件(對(duì)稱體微機(jī)械電容加速度傳感器和光開(kāi)關(guān))的工藝仿真。
在虛擬環(huán)境中，MEMS是具有三維結(jié)構(gòu)的實(shí)體。目前存在的很多商用MEMS分析軟件如CoventorWare，MEMSCAP，Intellisite以及常用的FEM分析工具如Ansys等，都對(duì)器件的三維實(shí)體描述有自己的接口和規(guī)范，其中.sat結(jié)構(gòu)是一種比較常用的格式。實(shí)現(xiàn).sat/.sab等標(biāo)準(zhǔn)格式的存取及其三維顯示將使得我們的設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有更良好的推廣性和規(guī)范性，同時(shí)也為設(shè)計(jì)系統(tǒng)與商用軟件的集成和二次開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。
所謂推理是指依據(jù)一定的原則從已有事實(shí)推出結(jié)論的過(guò)程，推理機(jī)就是根據(jù)用戶提供的事實(shí)，依據(jù)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)，經(jīng)過(guò)推理得到最終結(jié)果。推理機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)決策的核心，負(fù)責(zé)控制并執(zhí)行問(wèn)題求解過(guò)程。在本系統(tǒng)中推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)際資料進(jìn)行推理，確定理想情況下應(yīng)該生成的三維模型資料。推理機(jī)的控制策略常用的有資料驅(qū)動(dòng)的向前推理、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的向后推理以及兩者的混合。本系統(tǒng)采用了資料驅(qū)動(dòng)的向前推理方式，其推理過(guò)程如圖2推理機(jī)框圖所示從文件中抽取的版圖數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)都以鏈表的形式存放。系統(tǒng)中三維模型是分層描述的，所以模型由二維指針鏈表存放，每層的頭節(jié)點(diǎn)由低到高用指針連接，同時(shí)每一層中的多個(gè)模型塊之間也是由指針相連接。工藝數(shù)據(jù)鏈和模型鏈?zhǔn)峭评頇C(jī)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。
推理機(jī)首先判斷工藝數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)欠窠Y(jié)束，如果結(jié)束證明已經(jīng)推理完所有工藝過(guò)程對(duì)模型的影響，那么推理結(jié)束；否則，將繼續(xù)進(jìn)行工藝推理的循環(huán)。在循環(huán)中，首先將工藝數(shù)據(jù)鏈中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與工藝知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則相匹配，找到匹配的規(guī)則，并執(zhí)行規(guī)則的action函數(shù)，對(duì)當(dāng)前層的頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理(如淀積工藝需要增加新的層，生成新的層節(jié)點(diǎn))。層節(jié)點(diǎn)處理完之后需要對(duì)該層中各個(gè)模型塊進(jìn)行處理，所以也需要一個(gè)循環(huán)，循環(huán)以模型塊數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)欠窠Y(jié)束為判斷條件，實(shí)際上就是將被處理層中所有的模型數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理。在此循環(huán)中，首先對(duì)每個(gè)模型塊的資料與過(guò)程知識(shí)庫(kù)中相應(yīng)的過(guò)程知識(shí)進(jìn)行匹配，并在匹配的規(guī)則中選擇優(yōu)先級(jí)最高的規(guī)則，并執(zhí)行它的action部分的函數(shù)，對(duì)模型塊資料進(jìn)行處理。其中在生成模型鏈過(guò)程中可能會(huì)用到材料知識(shí)庫(kù)中的一些關(guān)于材料常規(guī)的規(guī)則。
最后，利用專家系統(tǒng)對(duì)工藝文件的推理結(jié)果，將模型資料轉(zhuǎn)化為人類易于理解的三維可視化方式。虛擬加工工藝的三維可視化分為三個(gè)子模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化子模塊、像素繪制子模塊和OpenGL輸出子模塊。模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是存儲(chǔ)專家系統(tǒng)推理機(jī)輸出的資料，OpenGL顯示像素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存儲(chǔ)OpenGL實(shí)際顯示資料，資料轉(zhuǎn)化子模塊完成由模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換工作。由像素繪制子模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中一些基本模型塊的具體繪制方法，OpenGL輸出子模塊用于完成OpenGL的圖形實(shí)際繪制工作。
三、虛擬仿真運(yùn)行，微電子機(jī)械器件的驗(yàn)證在虛擬工藝中得到的器件需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及包括運(yùn)動(dòng)性能在內(nèi)的模擬仿真；這一點(diǎn)和一般的機(jī)械設(shè)計(jì)不同，宏觀機(jī)械的機(jī)構(gòu)學(xué)已經(jīng)是一門非常成熟的學(xué)科，利用一般的CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)性能是完全知道的，而MEMS卻完全不同，設(shè)計(jì)出來(lái)的器件的運(yùn)動(dòng)性能的評(píng)測(cè)是一件相當(dāng)困難的事。一般只有把器件實(shí)際加工出來(lái)，在實(shí)際的運(yùn)行中進(jìn)行考察，這樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也為時(shí)已晚。另一種辦法是建立一個(gè)虛擬環(huán)境，使得設(shè)計(jì)好的器件能在這一環(huán)境進(jìn)行虛擬運(yùn)行，從而考察其運(yùn)動(dòng)性能。
虛擬仿真運(yùn)行的主要工作是從MEMS器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行模型(數(shù)學(xué)模型)到器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行的三維可視化展示之間的轉(zhuǎn)換。虛擬運(yùn)行工作的關(guān)鍵在于建立一個(gè)動(dòng)態(tài)模型庫(kù)，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)存放的是MEMS器件動(dòng)態(tài)模型和它的解。部件庫(kù)中，經(jīng)部件組裝得到的MEMS器件除具有幾何參數(shù)外，還具有動(dòng)態(tài)模型，它描述MEMS器件的運(yùn)行規(guī)律，采用方式一般是微分方程，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)中存放的就包含這些方程的解。其次，動(dòng)態(tài)規(guī)律可以是一些理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)公式，也可以是通過(guò)目前的一些FEM/BEM分析軟件如Ansys、CoventorWare在對(duì)器件的仿真后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。
圖3給出了虛擬環(huán)境運(yùn)行的仿真循環(huán)，在此仿真循環(huán)中，與MEMS器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行相關(guān)的模塊有兩個(gè)“執(zhí)行對(duì)象函數(shù)任務(wù)”和“場(chǎng)景繪制”；“執(zhí)行對(duì)象函數(shù)任務(wù)”就是計(jì)算MEMS器件當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，“場(chǎng)景繪制”依照更新后的MEMS器件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繪制其當(dāng)前的圖形對(duì)象；隨著一幀幀畫面的實(shí)時(shí)更新，觀察者就會(huì)感受到，MEMS器件在虛擬環(huán)境中運(yùn)行起來(lái)。因此，從仿真循環(huán)角度看，虛擬運(yùn)行最重要步驟就是“執(zhí)行對(duì)象函數(shù)任務(wù)”模塊能實(shí)時(shí)獲得MEMS器件動(dòng)態(tài)模型的解，并且，由于仿真循環(huán)是一幀一幀運(yùn)行的，相應(yīng)的虛擬運(yùn)行需要的是MEMS器件動(dòng)態(tài)模型的遞推解。
虛擬運(yùn)行工作的關(guān)鍵在于建立一個(gè)動(dòng)態(tài)模型庫(kù)，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)存放的是MEMS器件動(dòng)態(tài)模型和它的解。部件庫(kù)中，經(jīng)部件組裝得到的MEMS器件除具有幾何參數(shù)外，還具有動(dòng)態(tài)模型，它描述MEMS器件的運(yùn)行規(guī)律，采用方式一般是微分方程，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)中存放的就包括這些方程的解。
動(dòng)態(tài)模型庫(kù)的解不僅是只對(duì)應(yīng)一個(gè)MEMS器件動(dòng)態(tài)模型，而是對(duì)應(yīng)一類模型的解。以微馬達(dá)為例，它的動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)二次常微分模型，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)中存的是利用Nystrom法，獲得二次常微分方程遞推解的通用方法。微馬達(dá)改變參數(shù)，甚至從在空氣中運(yùn)行改為在油中運(yùn)行，動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，但新模型依然是二次常微分方程，同樣可以利用Nystrom法獲得遞推解，只是實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)調(diào)用不同的參數(shù)而已。這樣的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型庫(kù)會(huì)有較好的適應(yīng)性，不僅微馬達(dá)，其它MEMS器件只要?jiǎng)討B(tài)模型是二次常微分方程，均可以用同樣的方法獲得解。在動(dòng)態(tài)模型庫(kù)的結(jié)構(gòu)下，MEMS器件動(dòng)態(tài)規(guī)律的具有巨大差異性，就表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)模型庫(kù)中對(duì)應(yīng)的模型類會(huì)比較多，并沒(méi)有本質(zhì)難度，可以較好克服這一難點(diǎn)。
理想情況，MEMS器件動(dòng)態(tài)模型是由MEMS設(shè)計(jì)者給出的，動(dòng)態(tài)模型庫(kù)中只需存好各類數(shù)學(xué)模型的遞推解，再作好模型參數(shù)傳遞就可以了。但是，MEMS器件動(dòng)態(tài)模型往往很難得到；這樣虛擬運(yùn)行中應(yīng)包含協(xié)助設(shè)計(jì)者獲取MEMS器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律的功能。如在系統(tǒng)中集成有限元分析軟件，在有限元計(jì)算獲得一組數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，再分析、擬合這些數(shù)據(jù)，最終獲得MEMS器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律，存入動(dòng)態(tài)模型庫(kù)。在早期實(shí)現(xiàn)的微泵虛擬運(yùn)行中，我們就直接從有限元計(jì)算結(jié)果，擬合獲得了雙金屬膜受熱變形的形狀，作為微泵動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律的一部分。因此，本部分內(nèi)容的“在MEMS器件動(dòng)態(tài)模型、運(yùn)行規(guī)律遞推求解和圖形對(duì)象狀態(tài)動(dòng)態(tài)刷新之間建立起方便的連接機(jī)制”，也就是建立方便的機(jī)制，使得設(shè)計(jì)者給定MEMS器件動(dòng)態(tài)模型，系統(tǒng)就可以方便地給出這個(gè)模型的遞推解。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明提供的微電子機(jī)械器件的設(shè)計(jì)方法可以利用計(jì)算機(jī)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)用三維可視化的手段加上運(yùn)行中可以交互的改變特征參數(shù)，就可以對(duì)MEMS器件的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行觀察和評(píng)測(cè)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是1.針對(duì)MEMS器件具有運(yùn)動(dòng)功能的特點(diǎn)，提出了在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立動(dòng)態(tài)模型，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得設(shè)計(jì)出的器件可以進(jìn)行3D虛擬運(yùn)行，并考察其運(yùn)動(dòng)性能。
2.針對(duì)所要用的工藝，通過(guò)虛擬工藝仿真可“生長(zhǎng)”出所設(shè)計(jì)的器件的可視化三維結(jié)構(gòu)，從而考察其合用性。
4.將與部件有關(guān)的版圖文件、工藝文件、動(dòng)態(tài)模型等組成部件庫(kù)，可查詢調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了資源復(fù)用。
5.最后，本發(fā)明構(gòu)建了一個(gè)可應(yīng)用、可擴(kuò)充的系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有商品化MEMS設(shè)計(jì)工具的無(wú)縫對(duì)接，可以完成MEMS器件的設(shè)計(jì)。
該系統(tǒng)已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了微加速度計(jì)等MEMS器件的系統(tǒng)再設(shè)計(jì)、仿真和加工驗(yàn)證了該系統(tǒng)的擴(kuò)充性；系統(tǒng)功能全面。

圖1是本發(fā)明提供的基于專家系統(tǒng)技術(shù)的MEMS虛擬工藝庫(kù)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是通過(guò)專家系統(tǒng)推理過(guò)程獲取部件三維形狀的流程框圖；圖3是虛擬環(huán)境運(yùn)行的仿真循環(huán)流程框圖；圖4是懸臂梁式電容加速度傳感器示意圖，a是主剖視圖、b是俯視圖；圖5是懸臂梁力學(xué)分析原理簡(jiǎn)圖；圖6是用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是四梁結(jié)構(gòu)的微加速度計(jì)的版圖；圖8是標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝流程圖；其中圖8(a)硅片工藝?yán)霉饪膛c刻蝕在硅表面形成淺槽，圖8(b)擴(kuò)散參雜形成接觸區(qū)，圖8(c)玻璃工藝通過(guò)光刻、濺射和剝離形成金屬電極，圖8(d)組合工藝有硅/玻璃健合，圖8(e)化學(xué)減薄劃片，圖8(f)ICP刻蝕釋放結(jié)構(gòu)；圖9是虛擬工藝仿真結(jié)果示意圖；圖10是懸臂梁在1g的加速度條件下的形變曲線示意圖；圖11是雙端雙梁微加速度計(jì)的虛擬運(yùn)行示意圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1微電子機(jī)械器件電容式微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)1、對(duì)稱體微機(jī)械電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理和動(dòng)態(tài)模型如圖4所示，是懸臂梁式電容加速度傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4a是主剖視圖、圖4b是俯視圖。在硅梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(1為梁，2為質(zhì)量塊)的上下兩面靜電鍵合上有金屬電極的玻璃板，形成三明治結(jié)構(gòu)的電容式加速度傳感器。
這種彈性梁置于質(zhì)量塊中心平面的結(jié)構(gòu)，硅梁—質(zhì)量塊和上、下兩面靜電鍵分別形成電容，此時(shí)不能用壓阻效應(yīng)將加速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通常是利用硅梁—質(zhì)量塊和上、下兩面靜電鍵之間的空隙變化轉(zhuǎn)換成電容和的變化來(lái)感應(yīng)加速度。當(dāng)有縱向加速度作用于加速度傳感器時(shí)，懸臂梁受其末端質(zhì)量塊的慣性力作用，發(fā)生彈性變形。導(dǎo)致和的空隙發(fā)生變化—一個(gè)變大、一個(gè)變小。從而電容值也就隨加速度的大小和方向而發(fā)生了相應(yīng)的變化。最后，經(jīng)差分電容式檢測(cè)電路測(cè)得輸出電壓。
圖中的懸臂梁式的微加速度傳感器結(jié)構(gòu)不同于一般的懸臂梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量塊比懸臂梁要長(zhǎng)得多，并與梁一體，形成一變截面梁。在簡(jiǎn)化受力分析時(shí)，懸臂梁可簡(jiǎn)化為圖5所示，若待測(cè)加速度為a，質(zhì)量塊的總質(zhì)量為m，則作用在質(zhì)量塊上的力可簡(jiǎn)化成集中力ma和彎矩作用于懸臂梁末端。基于彈性力學(xué)撓曲線近似微分方程，加速度傳感器受力微分方程可表示為
EIy″(x)＝Mf+ma(1-x)(1)其中，l為懸臂梁的梁長(zhǎng)；彎矩Mf=12(m2l2-m1l1)a]]>；m1為質(zhì)量塊突島的質(zhì)量；m為質(zhì)量塊的總質(zhì)量；m2＝m-m1；l1為突島長(zhǎng)度；l2為質(zhì)量塊剩余部分的長(zhǎng)度；E是硅結(jié)構(gòu)材料的楊氏模量；I是梁橫截面對(duì)中性軸的慣性矩[21]。中性軸是在圖5中，過(guò)o點(diǎn)，垂直于xoy面的軸。
根據(jù)圖5所示邊界條件，令K＝(m2l2-m1l1)/2，將式(1)積分可得梁上某一截面的變形為yb(x)=1EI[16m·x3-12(m·l+K)·x2]·a,(0≤x≤1)---(2)]]>式(2)表示了懸臂梁變形與待測(cè)加速度a之間存在比例關(guān)系。
2、電容式微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)本發(fā)明包括一個(gè)新器件設(shè)計(jì)實(shí)例；同時(shí)也用來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的可行性和通用性。具體包括以下幾個(gè)步驟首先根據(jù)需求設(shè)計(jì)一種新器件；然后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)；將設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行虛擬工藝仿真；得到的三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到ANSYS或CoventorWare中進(jìn)行數(shù)值分析；數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行基于FEM的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；求解得到的宏模型，放入IP庫(kù)中；與此同時(shí)，利用虛擬運(yùn)行進(jìn)行可視化行為級(jí)仿真與驗(yàn)證。
(1).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電容式微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括三部分敏感質(zhì)量以及與敏感質(zhì)量一體的活動(dòng)電容極板，固定電容極板以及兩者之間的彈性連接部分。
由于微機(jī)械尺寸很小，所以形成的電容量是非常微弱的，在工程使用中經(jīng)常被干擾噪聲淹沒(méi)，更談不上達(dá)到較高的精度。作為測(cè)量?jī)x表，提高精度很重要的一項(xiàng)措施就是采用差動(dòng)測(cè)量方式。差動(dòng)測(cè)量的兩部分，由于在相同環(huán)境條件下受到的干擾噪聲基本一樣，可以通過(guò)相減排除其絕大部分，極大地提高了信噪比。因此，工程上使用的有一定精度的電容式微加速度計(jì)幾乎都是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。平行板電容器可用兩種方式調(diào)節(jié)電容值一是改變極板間的間距。二是改變極板間的有效正對(duì)面積。
在基于玻璃—硅鍵合技術(shù)和ICP深反映離子刻蝕技術(shù)之上，設(shè)計(jì)一種橫向的“三明治”電容式微加速度計(jì)。該結(jié)構(gòu)將兩種改變平行板電容的方法有效地結(jié)合在一起。它采用雙端固支的懸臂梁，在質(zhì)量塊的左右兩邊設(shè)計(jì)了附加的尾部，來(lái)增加慣性質(zhì)量的同時(shí)降低了熱機(jī)械噪聲。為了提高結(jié)構(gòu)性能，在尾部設(shè)計(jì)了上下對(duì)稱的叉齒結(jié)構(gòu)。以雙端懸臂梁為中心軸，上下兩邊的電容極板設(shè)計(jì)為相同的極性，以形成差分電容。電容極板面積的選擇也關(guān)系到器件的性能，增大電容極板面積會(huì)帶來(lái)增大阻尼、減小帶寬、降低線性度等負(fù)面的影響。慣性質(zhì)量在敏感方向上的振動(dòng)，使得形成橫向“三明治”結(jié)構(gòu)的差分電容的極板間距發(fā)生了改變，同時(shí)叉指部分的正對(duì)面積也發(fā)生了改變，產(chǎn)生了電容變化量。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
(2).版圖設(shè)計(jì)根據(jù)北大微電子所的工藝設(shè)計(jì)原則進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。該電容式微加速度計(jì)，具體利用北大微電子所體硅工藝加工制作，遵循北大微電子所體硅工藝規(guī)則，設(shè)計(jì)電容式微加速度計(jì)的工藝流程及相應(yīng)版圖。
體硅加工工藝是一種典型的微機(jī)械加工方法，為了形成完整地微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上用到鍵合或者粘接技術(shù)。將硅的健合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來(lái)，是利用體硅工藝實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的一大特色。體硅工藝過(guò)程比表面犧牲工藝加工要復(fù)雜、體積大、成本高；但是，它使得可活動(dòng)的敏感質(zhì)量加大、檢測(cè)電容量加大、加速度計(jì)的分辨率和靈敏度等性能指標(biāo)得以提高。北大微電子所提供了面向多用戶使用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合、硅深刻蝕的MEMS標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝。如圖7所示是雙梁結(jié)構(gòu)的微加速度計(jì)的版圖。
(3).工藝仿真利用基于體積圖形學(xué)(Voxel-Based)的虛擬工藝系統(tǒng)ZProcess進(jìn)行工藝仿真。通過(guò)工藝仿真達(dá)到兩個(gè)目的a.做出三維模型；b.將三維模型導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS or Coventor中進(jìn)行有限元分析。
(3.1).標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝流程圖8給出了標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝流程圖。硅片工藝?yán)霉饪膛c刻蝕在硅表面形成淺槽(圖8(a))，擴(kuò)散參雜形成接觸區(qū)(圖8(b))。玻璃工藝通過(guò)光刻、濺射和剝離形成金屬電極(圖8c))。組合工藝有硅/玻璃健合(圖8(d))，化學(xué)減薄劃片(圖8(e))以及ICP刻蝕釋放結(jié)構(gòu)(圖8(f))。
(3.2).電容式微加速度計(jì)工藝流程及版圖設(shè)計(jì)根據(jù)微加速計(jì)結(jié)構(gòu)并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝的特點(diǎn)及要求，設(shè)計(jì)了加工所需的工藝流程和掩膜版圖形。
用于形成加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的版圖層主要有三層，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。掩膜版的陰陽(yáng)依據(jù)正膠所定。
表1.用于設(shè)計(jì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)版圖的層
(3.3).虛擬MEMS加工工藝仿真結(jié)果圖9所示為利用虛擬加工工藝系統(tǒng)對(duì)電容式微加速度計(jì)工藝仿真的結(jié)果。
(4).虛擬運(yùn)行(4.1).基于FEM分析的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模因?yàn)殡p端雙梁微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，所以僅分析一端懸臂梁的形變情況即可。
在一系列外載荷條件下分析懸臂梁的形變情況(得到懸臂梁上個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一坐標(biāo))。具體的分析結(jié)果如下，圖10為在外載荷為1g的情況下，懸臂梁的形變曲線圖通過(guò)三次多項(xiàng)式擬合，得到在1g加速度的條件下懸臂梁的形變曲線Y＝A+B1*X+B2*X^2+B3*X^3其中A＝-0.04221B1＝-1.17589E-7B2＝1.29262E-7B3＝-8.69288E-11從擬合的結(jié)果來(lái)看誤差＜0.0001，三次多項(xiàng)式已經(jīng)能夠較好的表達(dá)懸臂梁的形變情況，同時(shí)具有較快的計(jì)算速度。同理可得在不同加速度的情況下，微懸臂梁的形變曲線，曲線擬合的結(jié)果也是三次多項(xiàng)式結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有較高的擬合精度。
通過(guò)一系列上面的分析過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)微懸臂梁形變曲線的參數(shù)與加速度成線性關(guān)系。最終得到微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)模型(雙端雙梁)y＝A+B1×x+B2×x2+B3×x3參數(shù)A，B1，B2，B3和外載荷呈線性關(guān)系A(chǔ)＝para_a1+para_a2*aB1＝para_b11+para_b12*aB2＝para_b21+para_b22*aB3＝para_b31+para_b32*a(4.2).虛擬運(yùn)行在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙端雙梁微加速度計(jì)的虛擬運(yùn)行，虛擬運(yùn)行結(jié)果如圖11，它既可以作為行為級(jí)可視化仿真，又可以通過(guò)虛擬運(yùn)行與設(shè)計(jì)中期望的行為進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到行為級(jí)驗(yàn)證的目的。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械器件的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征是該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟(1)建立部件庫(kù)——(a)部件定義部件即組成微電子機(jī)械器件的基本單位，同時(shí)，器件又可以定義為一個(gè)新的部件，用來(lái)組成規(guī)模更大的微電子機(jī)械器件；部件分為兩類一類是不具有運(yùn)動(dòng)性能的部件，簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)部件，結(jié)構(gòu)部件將由一個(gè)參數(shù)組來(lái)描述，這些參數(shù)包括部件的幾何形狀、材料、可裝配性參數(shù)、尺寸參數(shù)；另一類是具有運(yùn)動(dòng)性能的部件，簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)部件除結(jié)構(gòu)部件所具有的參數(shù)外，還包括它的運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即與結(jié)構(gòu)部件相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型或稱數(shù)學(xué)模型及其解，就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；數(shù)學(xué)模型一般采用方式是微分方程；——(b)部件庫(kù)的建立建立途徑有兩種，一是將已經(jīng)運(yùn)行成功的微電子機(jī)械器件或?qū)⑵骷鸪蛇m當(dāng)?shù)牟考鳛椴考?kù)的元素進(jìn)入部件庫(kù)；另一途徑是從已經(jīng)設(shè)計(jì)好的部件版圖，通過(guò)虛擬工藝生成微電子機(jī)械部件進(jìn)入部件庫(kù)；(2)仿真工藝設(shè)計(jì)采用專家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)工藝仿真技術(shù)，其中工藝模型表現(xiàn)為專家知識(shí)，部件三維形狀獲取對(duì)應(yīng)推理機(jī)的推理過(guò)程，三維形狀顯示作為解釋機(jī)；包括(a)工藝模型即專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)該工藝模型是將版圖描述和工藝流水方面的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)都放到專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中；(b)推理機(jī)部分將部件三維形狀獲取部分作為專家系統(tǒng)的推理機(jī)部分，該推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)相分離，即對(duì)知識(shí)庫(kù)的增、刪、改不會(huì)影響到推理和解釋部分；(c)解釋機(jī)部分將三維顯示部分作為專家系統(tǒng)的解釋機(jī)部分；(3)虛擬運(yùn)行，微電子機(jī)械器件的驗(yàn)證虛擬運(yùn)行主要工作是將微電子機(jī)械器件從動(dòng)態(tài)運(yùn)行模型或稱數(shù)學(xué)模型到器件動(dòng)態(tài)運(yùn)行的三維可視化展示之間的轉(zhuǎn)換；它既可以作為行為級(jí)可視化仿真，又可以通過(guò)虛擬運(yùn)行與設(shè)計(jì)中期望的行為進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到行為級(jí)驗(yàn)證的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推理機(jī)的推理過(guò)程如下——推理機(jī)首先判斷工藝數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)欠窠Y(jié)束，結(jié)束，證明已經(jīng)推理完所有工藝過(guò)程對(duì)模型的影響，推理結(jié)束；——否則，繼續(xù)進(jìn)行工藝推理的循環(huán)；在循環(huán)中，(1)首先將工藝數(shù)據(jù)鏈中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與工藝知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則相匹配，(2)找到匹配的規(guī)則，并執(zhí)行規(guī)則的action函數(shù)，對(duì)當(dāng)前層的頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理；(3)層節(jié)點(diǎn)處理完之后需要對(duì)該層中各個(gè)模型塊進(jìn)行處理，所以也需要一個(gè)循環(huán)，循環(huán)以模型塊數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)欠窠Y(jié)束為判斷條件，實(shí)際上就是將被處理層中所有的模型數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理；在此循環(huán)中，(a)首先對(duì)每個(gè)模型塊的資料與過(guò)程知識(shí)庫(kù)中相應(yīng)的過(guò)程知識(shí)進(jìn)行匹配，(b)并在匹配的規(guī)則中選擇優(yōu)先級(jí)最高的規(guī)則，(c)并執(zhí)行它的action部分的函數(shù)，對(duì)模型塊資料進(jìn)行處理并返回循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解釋機(jī)部分的工作過(guò)程如下虛擬加工工藝的三維可視化分為三個(gè)子模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化子模塊、像素繪制子模塊和OpenGL輸出子模塊；——資料轉(zhuǎn)化子模塊完成由模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換工作；——像素繪制子模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中一些基本模型塊的具體繪制；——OpenGL輸出子模塊用于完成OpenGL的圖形實(shí)際繪制工作；其中，模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是存儲(chǔ)專家系統(tǒng)推理機(jī)輸出的資料，顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即OpenGL顯示像素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存儲(chǔ)OpenGL實(shí)際顯示資料。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真設(shè)計(jì)方法在新器件一電容式微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其特征是該電容式微加速度計(jì)是一種雙端雙梁結(jié)構(gòu)的橫向三明治微加速度計(jì)，其操作設(shè)計(jì)過(guò)程如下(1)首先根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一種新器件；(2)然后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)；(3)將設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行虛擬工藝仿真；(4)得到的三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到ANSYS或CoventorWare中進(jìn)行數(shù)值分析；(5)數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行基于FEM的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；(6)求解得到的宏模型，放入部件庫(kù)中；(7)與此同時(shí)，利用虛擬運(yùn)行進(jìn)行可視化行為級(jí)仿真與驗(yàn)證。
全文摘要
一種微電子機(jī)械器件的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法包括部件庫(kù)(結(jié)構(gòu)部件和運(yùn)動(dòng)部件)的建立，運(yùn)動(dòng)部件除結(jié)構(gòu)部件所具有的參數(shù)外，還要有與結(jié)構(gòu)部件相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型及其解。虛擬工藝設(shè)計(jì)，本發(fā)明采用專家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)虛擬工藝技術(shù)，其中工藝模型表現(xiàn)為專家知識(shí)，部件三維形狀獲取對(duì)應(yīng)推理機(jī)的推理過(guò)程，三維形狀顯示作為解釋機(jī)。虛擬運(yùn)行，通過(guò)虛擬運(yùn)行與設(shè)計(jì)中期望的行為進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到行為級(jí)驗(yàn)證的目的。本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)用三維可視化的手段對(duì)MEMS器件的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行觀察和評(píng)測(cè)，在虛擬運(yùn)行中即可發(fā)現(xiàn)一些其它手段難以發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可以比較容易的改變不同部件，不需進(jìn)行實(shí)際加工，即可考察其性能。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101017512SQ20061012980
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者盧桂章, 趙新, 譚宜勇, 孫廣毅, 金桐 , 王磊 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)