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伴隨著傳感技術在汽車和消費電子產品的迅速普及，微機電系統(tǒng)（MEMS）在最近幾年已進入主流。為了控制及信號調理，基于MEMS 的傳感器必然需要密切耦合的電子電路。電子電路要么獨立于MEMS，要么和MEMS 在一個裸片中嵌入到模擬/混合信號集成電路中。MEMS 設計通常需要一個使用三維機械CAD 和有限元工具來進行功能驗證的專家團隊；而 IC 設計是通過EDA 工具，如Cadence Virtuoso 客戶設計環(huán)境，來實現(xiàn)。傳統(tǒng)上，MEMS 設計人員手工制作了Verilog-A 模型以便放入到IC 設計中去。這些手工制作的模型往往過于簡單，而且非參數(shù)化。此外，創(chuàng)建這些模型相當費時，并需要專門知識。隨著來自于消費電子行業(yè)的市場拉動朝著更多功能、更低成本和更快的推向市場時間邁進，傳統(tǒng)設計方法的缺點日益明顯。本文介紹了一種MEMS 器件設計，及在Cadence Virtuoso 設計環(huán)境與集成電子產品一起仿真的新方法。 介紹 微機電系統(tǒng)（MEMS）是微米級或納米級器件，通常以類似集成電路（ICs）的方式加工出來，并受益于半導體制造的微型化、集成化和批量加工。不同于集成電路，其只包括電氣元件，MEMS 器件結合了來自多個物理領域的技術，可能包含電子、機械、壓電、磁和/或光學元件。一個MEMS 產品，即一種可以購買并在印刷電路板組裝的部件，通常是由一個MEMS 傳感或驅動元件（MEMS 器件）和相應的處理輸入和輸出信號的集成電路（ICs）組成。 MEMS 產品通常由至少兩組專家參與設計：MEMS 設計師和IC 設計師。MEMS設計者通常是博士級的專家，他們使用自己的二維和三維機械CAD 工具設計輸入，用有限元分析（FEA）工具做模擬。IC 設計師，獨特的第二小組，依靠定制的IC 設計和仿真環(huán)境，如Cadence Virtuoso。他們在Virtuoso 示意圖編輯器中創(chuàng)建電子產品的示意圖，然后在Virtuoso Spectre或UltraSim 電路模擬器中模擬行為。 當然，鑒于MEMS 和IC 必須共同發(fā)揮作用，IC 設計師需要一個MEMS 的行為模型，并將其插入到他們的示意圖設計中。在本文中，我們首先描述傳統(tǒng)的方法，MEMS 設計人員為他們的IC 設計同行提供了一個MEMS 行為模型。然后，我們簡要地介紹我們的MEMS-IC 協(xié)同設計新平臺，MEMS+，并討論此結構化方法比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。 傳統(tǒng)MEMS-IC 設計方法 為了支持MEMS 器件及其IC 在Spectre 或UltraSim 模擬器中仿真，MEMS 設計人員通常用Verilog - A 硬件描述語言手工繪制MEMS 器件的行為模型。手工制作的模型可能是基于解析公式，或查表，或基于從有限元分析結果得到的模型降階。這種傳統(tǒng)方法有很多缺點。首先，費時，且需要專業(yè)知識。由于該方法是手工的，每次MEMS 設計更改，一些步驟就要隨之重復。其次，手工制作的模型，簡單來說，并不能完全捕獲MEMS 器件的復雜行為。例如，相對與實際器件的六個自由度——3 個平移（x，y 和z）和3 個旋轉，這些模型往往局限于一個機械自由度。比如，對于一個多軸加速度計模型，可能只有一個方向的運動被捕捉到，而與其他方向運動可能不利的耦合則被忽略。第三，手工模型不能就加工工藝或幾何變量實現(xiàn)參數(shù)化。過度簡化和缺乏參數(shù)化限制了IC 設計人員優(yōu)化他們的設計。相反，模擬電路可能會設計保守，導致更高的能耗。此外，手工制作模型的局限性使得難以核實邊角情況和調查加工的效應，他們都可能影響整個系統(tǒng) 的性能。理想情況下，MEMS 設計人員應該能夠在三維實體設計環(huán)境中創(chuàng)建和修改MEMS 設計，然后自動生成所需的Virtuoso 仿真模型和版圖。仿真模型應實現(xiàn)參數(shù)化，應準確獲取MEMS 器件的復雜行為，同時又能夠充分有效地允許MEMS 和IC 在合理的CPU 時間內協(xié)同仿真。 一種新的MEMS-IC 驗證的機構化方法 在本文中，我們提出了一個基于單一MEMS 設計表示，做MEMS-IC 設計、仿真和產品開發(fā)的新的綜合方法。這種新方法使MEMS 設計者工作在一種新型的被稱為MEMS+的3D 環(huán)境中。MEMS+適應設計者的需求，容易導出參數(shù)化的且和IC設計人員需要的設計和模擬環(huán)境兼容的行為模型。同時，IC 設計師可以在一個示意圖中添加MEMS 器件，正如添加其他任何模擬或數(shù)字元件一樣。MEMS 行為模型的參數(shù)可能包括加工變量，諸如材料性能和尺寸的變化，以及設計的幾何屬性。據(jù)預計，這些模型的復雜性和準確性，使得無論是MEMS-IC 的性能還是產量的設計優(yōu)化都可以實現(xiàn)。 總結 我們描述了一個新穎的MEMS 設計流程，流程的建立圍繞著一個參考模型輸入新的3D MEMS 設計平臺，MEMS+。MEMS+與Cadence Virtuoso 配合使用提供了一個結構化MEMS-IC 設計流程樣例，可幫助MEMS 設計和IC 設計的自動化連接。MEMS+還通過與MathWorks 的MATLAB Simulink集成，支持功能或算法級設計。MEMS 基礎組件庫已被證明適用于多種類型的MEMS 器件。例如，由Σ-Δ 調制器控制的加速度計的模擬已經(jīng)展示在參考文獻中。 參考文獻 S. Breit, C. Welham, S., M. Kraft, M. McNie, Multi-Degree-Of-Freedom Simulation of Micromachined Sensors under Mixed-Signal Control, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Boston, Massachusetts, October 31- November 6, 2008, |
MEMS+ -- A New Platform For MEMS-IC Design.pdf
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