微机电系统光学组件的系统级建模

　　1　引　言

　　微机电系统(Micro-electro-mechanical　Sys-tem，MEMS)设计作为产品形成的第一步，对产品的开发具有举足轻重的作用。其多学科交叉，多能量场耦合的特点，使得以前基于工艺和版图的设计方法越来越不能满足MEMS设计需要。同时，MEMS产品市场竞争日趋激烈，缩短研发周期，降低成本已经成为MEMS设计者的迫切需求。因此，发展微机电系统设计工具(MEMSCAD)受到该领域科研人员的广泛关注[1]。借助于MEMS　CAD对MEMS进行快速准确的建模与仿真，使得设计者在加工产品之前能预测其性能，是提高设计效率，降低研发成本，缩短研发周期的有效方法。

　　目前，国际主流的MEMS　CAD软件均通过“系统级-器件级-工艺级”结构化分层设计理念来降低设计复杂性，提高设计自动化程度[2-3]。其中，系统级设计利用系统级参数化组件库中的组件模型，可以对MEMS器件的整体性能进行快速的仿真，从而寻求合理的整体设计方案。

　　由于MEMS多能量域耦合特点，涉及到机械、电子、流体、光学等领域，使得MEMS系统级参数化组件的建模及仿真一直是MEMS设计中的难题。国内外MEMS机械组件和电学组件系统级建模设计方法的研究已经成熟，但是光学组件建模方法的研究却很少。一些MEMS　CAD软件，如商业软件Coventware[4]、匹兹堡大学的Chatoyant[5]等，虽然建立了部分光学组件的系统级模型，但其文档却主要对使用方法进行介绍，对光学组件的建模方法极其保密，很少进行详述。

　　因此，研究在三维空间内建立MEMS光学组件系统级模型的一般方法和建立具有自主知识产权的包含典型光学组件的光学库具有重要的理论意义和参考价值。光学组件的建模方法主要存在以下难点：(1)光束模型的建立;(2)光学组件的建模不只涉及到光学域，还涉及到与机械域和电学域的耦合;(3)空间中各个光学组件及光束的坐标系转换。为解决以上难题，本文在多端口组件网络方法[6]的基础上，提出了MEMS光学组件的系统级建模方法，并依托于国产设计工具MEMS　Gar-den，使用Verilog-A硬件描述语言对典型光学组件———微平面镜的系统级的建模过程进行了介绍。最后搭建了光学扫描系统，对本文提出的建模方法进行了验证。

　　2　建模理论与方法

　　2.1　多端口组件网络方法[6]

　　本文MEMS光学组件的系统级建模方法是在多端口组件网络方法的基础上建立的。多端口组件模型可以用5元组表示：MPE= 。其中，CID为组件标识符，唯一地标识该组件。Ports为组件端口集合，是组件之间进行能量与信号交换的接口，若端口表示能量的转换，则称其为能量保守端口，需在端口上设置2个端口变量(即，跨量和通量);若端口表示信号随时间的变化而不关注这种信号的能量来源，则称其为能量非保守端口，只需在端口上设置一个端口变量来表示信号大小的变化。Behaviors为组件的行为模型，是通过研究组件的物理属性建立的数学模型。Schematic为组件的图形化示意图，便于对组件模型进行操作。Parameters为组件的参数，修改参数可实现组件的重用，一般包括器件的几何尺寸、空间位置、材料属性等。