微机电系统集成设计方法与实现技术

　　0　引言

　　近年来,微机电系统(MEMS)的研究已取得了很大进步,但真正商品化的MEMS产品主要还是一些传感器类产品。这表明MEMS技术的发展还没有成熟,其中问题之一就是MEMS涉及面广、设计过程复杂以及周期长,这极大地限制了MEMS技术的快速发展[1]。

　　针对困扰MEMS发展的制约因素,人们一直在寻求相应的解决办法。目前,国外的研究结果显示,MEMS的加工能力强于其设计能力[2]。因此,提高MEMS的设计能力就更为迫切。为解决MEMS的设计难题,人们通常从设计工具和设计方法两个角度进行研究。前者针对MEMS设计过程的某一环节(如湿法刻蚀工艺)开发相应的计算机辅助设计工具(CAD),对该环节进行仿真、分析和评价;后者从更高的层次上综合考虑MEMS设计的各个环节,安排设计流程,流畅衔接不同阶段的设计从而达到最优设计。

　　当前,发达国家对MEMS设计的研究已经从对单个设计工具的研究过渡到了对整个MEMS设计方法的研究。其设计方法已从源于微电子工艺设计的自底向上(bottom-up)的设计方法发展到了符合MEMS特性的自顶向下(top-down)的设计方法[2,3],并开发出了相应的设计平台。而我国大多数单位都还局限于对单个设计工具研究的初级阶段。

　　近年来,西北工业大学在对MEMS的设计特点进行深入研究的基础上,提出了独特的自顶向下设计和自底向上修正的双向MEMS集成设计方法,并以此为理论基础,以微惯性器件的设计为需求牵引,构建了MEMS集成设计平台MEMSGarden V3.0,并对其中的关键技术进行了较深入的研究[4~8]。

　　1　自顶向下设计和自底向上修正的双向集成设计方法

　　1.1　系统框架

　　MEMS的集成设计是一个多视图、多阶层的设计方法(见图1)。

　　多视图是指从三个方面对MEMS进行集成设计:①从产品的全生命周期(设计、制造、封装、检验、使用、维护等)看,对其产品形式(数据图表、掩模信息、实体模型、设计原型等)、生产过程和组织活动予以并行设计;②从其功能组成看,MEMS包含微传感器、微执行器、微检测控制电路等功能模块,其设计必须达到器件结构和系统功能的有机集成;③从涉及的研究领域看,多学科(微观领域的机械、力、电、光、流体等)以不同比例综合、相互转换发生作用(传感、致动的工作原理与微观环境条件的影响等)的特点需要纳入MEMS的设计工作。

　　多阶层是指针对MEMS的设计的复杂过程,将其分成系统级设计、器件级设计和工艺级设计三个阶层,分别完成相应的设计任务,组成MEMS设计的多阶层架构。根据这三层在设计　时进行的先后次序,就有了MEMS的自顶向下设计和自底向上的设计方法之分。