基于MUMPS的MEMS集成设计方法研究

　　微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通信和电源为一体的微型器件或系统,能完成信息获取、处理及执行一定功能的系统[1, 2]。MEMS尺寸微小,其流动特性、材料与结构的力学行为及物理性质与宏观状态下的法则明显不同。当它受不同环境(湿、热、电、磁、力等)和不同加工过程的影响时,力学参数也会有明显变化,表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应等远远超出宏观力学和物理规律范畴。至今为止,宏观力学中的物理规律还不能完全解释和指导MEMS的设计、制造工艺、封装和应用中提出的问题。目前在MEMS设计仿真分析时会遇到许多的问题,例如宏模型的建立、多物理场耦合分析、快速计算表面作用力的算法等等。

　　MEMS器件设计的模拟过程有不同层次的需求。如掩膜设计模拟、加工工艺模拟、传感器与执行器的器件级模拟、多能域宏模型的系统级模拟以及包括封装在内的完整系统的模拟。这些模拟需要不同技术来支持,而且复杂程度也大不相同。如通过设计掩膜和工艺过程提取数据建立三维几何模型、建立宏模型和将宏模型嵌入动态模拟过程以及各个模拟层次之间的无缝数据传送等等[3]。

　　在MEMS CAD系统中,由于多种学科交叉,求解难度较大。它不仅要有结构的几何轮廓参数,还要有相应变化的材料、电子和机械参数。因此,除了要用快速有效的算法外,还需建立典型结构的设计软件包,如惯性器件、流体系统等,以提高建模仿真的速度和精度。

　　1MEM S CAD设计方法

　　在MEMS领域,因为加工工艺的特殊性,通常设计流程是先设计版图和工艺,然后通过工艺模拟来获得三维结构,如图1。这种方法类似宏观领域中直接由刀具轨迹反求几何模型,对模型的直接修改等操作难度较大,设计不直观。这使得传统的设计方法越来越跟不上现代MEMS的迅猛发展。因此必须建立一套快速、有效、先进的设计系统以解决现有MEMS设计中存在的问题。

　　MEMS的设计方法目前有三种[4~6]: (1)依靠实际经验的加工测试设计方法,此法循环次数多,周期长,现较少采用; (2)Bottom-Up的设计方法(图1),该方法的设计思想是通过版图布局表达,对其进行工艺仿真得到器件三维模型,然后通过FEM等数值方法对物理性能进行分析和仿真。其缺点是:分析和仿真的结果不一定满足设计要求,通常会造成版图设计和相应的工艺设计多次反复; (3)Top-Down的设计方法(图2),它注重宏观层次上对提出的应用问题的解决,系统级以下的工作借助高柔性、封装后的参数化模型来实现,从而更容易达到对系统整体的操纵和把握。该方法能尽量减少设计的反复次数,对系统整体的把握和操纵能力大大增强,简化了MEMS集成设计的难度和烦琐程度,提高了设计质量和效率。