一种基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法

　　MEMS具有多能量域耦合、多信号混合的特点,这是MEMS系统级设计必须解决的问题。一般有两种方法实现MEMS的系统级建模与仿真:一是通过不同物理场或不同抽象阶层的专用仿真器(如模拟和数字信号仿真器、有限元分析软件等)的松散耦合实现对整个微系统的仿真[1, 2],但这种方法模型抽象层次低、仿真时间长(以小时或天为单位)、收敛性无法保证;另一种是采用一通用系统建模方法对系统中所有组成单元进行建模,然后用一个仿真器实现对整个系统的仿真。但目前MEMS领域中的统一建模多采用等效电路法模拟非电能量域,建模过程复杂、范

　　围有限,且不能直接反映MEMS的多能量域物理量。因此,研究新的专门适应MEMS的系统级建模和设计方法成为关键问题。

　　针对MEMS多能量域耦合的特点以及系统级的快速建模与仿真的要求,创建了基于多端口组件网络的MEMS的系统级建模方法。研究确定了多端口组件及其网络的定义方法和基于常微分和代数方程的表达规范,采用混合信号硬件描述语言(VHDL2AMS)为系统建模语言对组件网络进行表述;以MEMS常用功能结构部件为对象阐释了多端口组件模型的建立过程;通过微加速度计的系统级模型及其仿真情况阐述了该方法用于解决MEMS系统级设计问题、促进其CAD工具化方面的有效性。

　　1　多端口组件网络方法

　　MEMS是集不同功能部件(传感部分、致动部分、电路部分等)为一体的微系统。多端口组件网络方法把这些功能部件或功能单元建立为组件模型,通过组件依照特定关系构成的网络代表整个微机电系统。具体内容可表述为:

　　(1) MEMS子系统对应多端口组件。把整个MEMS系统分解成为几个子系统(或功能结构部件),每个子系统建立为一个具有多个端口的组件模型。设定多个端口的目的是保证组件模型具备足够多的自由度,以便对尽可能多类型的MEMS进行统一表征,这正是该方法相对原来的等效电路法等所做的专门适应MEMS系统级建模的根本性改变之一。子系统涉及到的信号可以分成2类:与其他子系统相联结的外部信号和该子系统的内部状态信号。组件各个端口上的信号为该子系统的外部信号。

　　(2) MEMS子系统的行为描述方法。针对具体的MEMS功能部件,以对应组件的端口信号(及其初始条件)为载体,通过解析法表述端口信号间内在联系以描述该子系统本身的行为。

　　(3)整个微系统的行为。以组件为基础,对应端口相联结构成网络表征整个微机电系统。

　　(4)组件上所允许的端口信号的形式遵从特定要求,如对于模拟电路信号主要以电压与电流的形式搭配出现。若组件相互联结,还要保证参与连接端口的信号类型一致。