微机械系统建模与仿真技术研究

　　1　引　言

　　从系统的特征尺寸上,人们将微机械分成1mm~10mm的小型机械,1μm~1mm的微型机械,以及1nm~1μm的纳米机械[1],其在航空航天、生物工程、医疗、通讯、光学上有巨大的应用前景而受到各国研究机构及政府部门的高度重视,被认为21世纪可以带来新技术革命的技术。目前,MEMS的研究正从基础研究阶段逐步进入产品研制开发与实用阶段,但是在微机械系统研究领域中,CAD工具的发展水平远远滞后于前沿研究的步伐[2]。目前,大多数微电子机械设备都是用与其功能差不多但不能准确预测其执行情况的分析工具来辅助设计,因此,微电子机械系统的设计通常采用试验排出错误的方法进行,这往往需要多次反复的试验才能最终确定满足一个特定环境的运行设备。对开发商业产品来说,这种落后的设计方法、长的设计周期以及制造微电子机械系统原型机的高昂费用导致了一种效率极为低下、不切实际的开发情况,因此迫切需要用于微电子机械系统设计的先进模拟工具和模型建立工具。

　　2　MEMS建模与仿真

　　MEMS的建模与仿真就是用计算机模仿实际的微电子机械系统及其工作环境,使设计者能够在相应系统未制造前就可以对其原型的性能进行仿真和模拟以减低MEMS产品的设计开发时间。许多商业机构和大学已经认识到MEMS建模与仿真的重要性,纷纷投入大量的人力物力进行这方面的研究工作,并已经取得了令人瞩目的成果。目前已经开发了一些商用MEMS软件如MIT/Microcosm公司的MEMCAD、IntelliSense公司的InteliCAD、瑞士联邦工学院的TCAD、密歇根大学的CAEMEMS等。一般可以认为微电子机械系统的CAD结构如图1[3]所示。

　　但是微电子电系统不是传统机械或电子系统简单的几何缩小。当系统/器件尺寸达到微米甚至纳米尺度后会产生许多新的物理现象。因此MEMS建模仿真与传统的宏观尺寸机械或电子系统的建模与仿真上存在很大差别。其涉及的范围相当广泛,主要有:掩模设计与模拟、制造工艺模拟、器件性能模拟、材料特性模拟与检测、电子封装模拟、系统级模拟等。进行MEMS建模分析时会遇到许多新的问题,归纳起来主要有以下四个方面难题:

　　(1)尺度效应　微电子机械系统的尺度效应表现在两个方面:材料性能的尺度效应和物理规律的尺度效应。材料尺度效应材料尺寸小到一定程度时,其尺度效应就会表现出来,出现了与宏观材料截然不同的性能。此外,由于MEMS器件的制备方法与宏观零件不同,也引起了材料性能的差异,如抗拉强度、断裂韧性、残余应力等均有变化。再则,MEMS的多物理场耦合特性也使得描述材料性能参数变得困难。因此MEMS的材料和大尺寸器件材料即使在构成成分上相同,也应认为它们是完全不同的材料。特别是,微电子机械系统的材料通常是三明治式的复合结构,因而在建模仿真时如何确定材料特性的具体参数将是相当关键,文献[4]中引入了折合的概念,将多层微机械结构折合微单层结构,这样方便了计算机模拟时对材料特性的提取。物理规律的尺度效应随着尺寸减小出现了在宏观状态下不显著、可以被忽略的现象而在微观状态下成为占主导地位的现象,如宏观状态下的静电力、表面张力、电磁力等常常被忽略,而在微观状态下却常常成为微结构的驱动力。