MEMS建模--從設(shè)計到制造.doc

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1、MEMS建模--從設(shè)計到制造  微電子機械系統(tǒng)(MEMS)將很快成為智能系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)造不可或缺的部分。這些器件縮短了物理世界和電子世界之間的差距,它們用于眾多應用,涉及各種細分市場。在眾多細分市場中,價格降低、準確度要求提高和快速面市需求將對設(shè)計和制造性能提出新的約束條件。企業(yè)要獲得成功必須找到新的方法來應對這些挑戰(zhàn)?! ∵@種產(chǎn)品的日益增加的復雜性需要設(shè)計流程允許工程師在構(gòu)造實際硅片之前模擬整個制造分布、所有環(huán)境和操作條件的整個多模系統(tǒng)。這使工程師能夠快速、積極地優(yōu)化設(shè)計,以便最大限度地提高系統(tǒng)準確性和可靠性,同時最大限度地減少流程變化和其他無法預見的

2、相互作用而引起的輸出損失?! ∮糜趨f(xié)同模擬的精確的統(tǒng)計轉(zhuǎn)換器模型及其相關(guān)信號處理和控制安全對于建立面向智能系統(tǒng)的強大設(shè)計流程是必需的。轉(zhuǎn)換器模型生成可能是時間密集型任務,特別是對于具有獨特幾何屬性的新型結(jié)構(gòu)或帶有很難在分析方程式中發(fā)現(xiàn)的二階影響的運動方程式。模型降階(MOR)領(lǐng)域的進展專門應對這些挑戰(zhàn)[1-2]。  過去,MEMS組件的機電行為一直采用傳統(tǒng)的有限元素和邊界元素方法進行分析。商用三維解算器允許非常準確、非常詳細地模擬MEMS轉(zhuǎn)換器的物理行為,因此它們傾向于成為MEMS組件設(shè)計師選用的工具。然而,這種模擬極其耗時,對于運行耦合場分析方面的功

3、能仍然有限,不輕易允許與接口電子設(shè)備協(xié)同模擬,因此,它們在實現(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化和特性化方面幾乎不起作用。  常用方法是生成一個MEMS元素庫,這些MEMS元素可被組裝,構(gòu)建一個MEMS器件的示意圖[3]。這些子元素可能源自于理論、試驗結(jié)果或FEA模擬。這種方法對架構(gòu)分析非常有用,因為它能夠讓設(shè)計師快速發(fā)現(xiàn)標稱轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的變化影響,然而它不能始終捕捉相關(guān)主體的真正靈活性,特別是當子元素被視為剛性體的時候。這可能導致對結(jié)構(gòu)的剛度估計過高,并有忽視關(guān)鍵固有模式的危險,實際上可能阻礙整個系統(tǒng)的正常運行?! 榱藢︼@微結(jié)構(gòu)的固有靈活性精確建模并捕捉二階和非線性行

4、為,需要更適當?shù)慕惦A建模方法。一種方法是模態(tài)疊加,提供轉(zhuǎn)換器的最高效表達。模態(tài)疊加采用最低數(shù)量的狀態(tài)變量來捕捉的結(jié)構(gòu)的真實彈性。通過改變模型生成過程中包含的固有模式數(shù)量,很容易做到速度和準確度平衡??梢蕴砑痈郊有螤詈瘮?shù)(addiTIonalshapefuncTIon),來提高系統(tǒng)模擬的準確度。圖1顯示了一個示例,說明如何使用模態(tài)疊加和附加形狀函數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器上的封裝效果的預期準確度[4]。從實驗室測量結(jié)果中提取模型和頻率要比確定剛度更容易,所以這種模型的硅驗證非常直接。這種高度準確的降階建模方法應當用于組件和系統(tǒng)的低級檢驗,且必須結(jié)合對制造分布的統(tǒng)計建

5、模?!   D1:使用模態(tài)疊加和附加形狀函數(shù)來提高降階建模的準確度  理想情況是,應當避免‘點’或非擴展建模解決方案,因為它們限制了設(shè)計師在系統(tǒng)水平上探索和優(yōu)化設(shè)計空間的能力。模型應將大小信號行為的幾何、流程和環(huán)境變量參數(shù)化。  只有當組件的制造分布被準確表達的時候,轉(zhuǎn)換器模型才真正有用。流程變量,如膜厚度、蝕刻偏差方面的變化,會導致了轉(zhuǎn)換器行為變化,這種變化必須通過信號處理,在系統(tǒng)水平上進行調(diào)節(jié)。低估這種變化可能導致最終測試時出現(xiàn)輸出損失,而高估則可能導致會減少毛利的保守設(shè)計?! ≈灰诵慕5幕痉匠淌綔蚀_捕捉了物理變量對轉(zhuǎn)換器行為的影響,固體統(tǒng)計

6、建模就可能產(chǎn)生。統(tǒng)計分布很容易從制造目標或采用諸如后向傳播變量(IC行業(yè)非常出名)等方法對實際制造數(shù)據(jù)進行采樣[5]而得到。從鑄造過程中實際測量的度量指標中獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)的好處就是能夠提供檢驗設(shè)計環(huán)境和制造分布一致性的長期方法。圖2顯示了特定轉(zhuǎn)換器測試條件下硅數(shù)據(jù)與統(tǒng)計建模的比較示例。角文件包含特定西格瑪水平的統(tǒng)計建模結(jié)果?!   D2  無論使用哪種特殊方法建造轉(zhuǎn)換器模型,模型生成自動化對于將設(shè)計周期縮短到參與今市場競爭所要求的水平至關(guān)重要。為了滿足目前和未來的產(chǎn)品設(shè)計需求,MEMS系統(tǒng)設(shè)計的商用工具必須提供方法,從轉(zhuǎn)換器設(shè)計師的有限元素環(huán)境直接獲取結(jié)

7、果并將結(jié)果用于生成可由系統(tǒng)和電路設(shè)計師在行業(yè)標準模擬IC設(shè)計流程中使用的緊湊型轉(zhuǎn)換器模型。這種方法將縮短周期時間,減少錯誤,并允許設(shè)計周期中的創(chuàng)新。  MEMS模型由系統(tǒng)和IC設(shè)計師使用,因此模型應當盡可能緊密地集成到用戶的設(shè)計流程。對于IC設(shè)計師,這需要模型支持所有模擬器,具有設(shè)計流程中的各種實體化等級的多種視圖。實現(xiàn)這一功能并非易事,需要考慮質(zhì)量保證、模型驗證和實驗室管理的最佳實踐。如果采用特別方法,模型使用將受損。為了促進建模流程的更大結(jié)構(gòu)化,各公司應當采用設(shè)計套件。這些套件類似于鑄造車間提供的標準IC設(shè)計套件,執(zhí)行所提到的最佳方法?! 鞲衅鞴?/p>

8、司應當期望增加目前和可預見未來可提供的任何商用工具。MEMS設(shè)計流程中使用的工具和方法必須支持

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