微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

微電子技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)今科技發(fā)展的重要的核心技術(shù)，由此而生的集成電路（IC）已經(jīng)是無人不曉，無處不在，無所不能的標(biāo)志性技術(shù)。1987年伯克利加州大學(xué)的科學(xué)家研制成功了基于表面犧牲層技術(shù)的轉(zhuǎn)子直徑為60-100um的硅靜電馬達(dá)，使人們看到了如何用大機(jī)器制造小機(jī)器的奇妙天地，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）這一充滿了活力的新技術(shù)方向也就應(yīng)運(yùn)而生，成為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。M_EMS雖然也是用硅微電子工藝制作，但它與IC卻有著許多重要不同：MEMS的結(jié)構(gòu)是三維的，而集成電路是平面結(jié)構(gòu)的；MEMS有機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能，所以MEMS在運(yùn)行中，它的某些部件是要產(chǎn)生形變的，而集成電路則沒有；對(duì)M=EMS運(yùn)動(dòng)的分析是多個(gè)物理過程（電、熱、力、磁……）的綜合，而集成電路主要是電的過程。由于以上原因，MEMS的設(shè)計(jì)就產(chǎn)生了一些在IC設(shè)計(jì)中沒有的新問題，主要問題之一是在設(shè)計(jì)中如何對(duì)器件的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)測(cè)。IC設(shè)計(jì)已有非常完善的各層次的仿真工具，但還缺乏對(duì)由于變形而形成的運(yùn)動(dòng)功能的仿真。問題之二是所設(shè)計(jì)的器件經(jīng)加工后，是否能準(zhǔn)確地保持設(shè)計(jì)的三維形狀（因?yàn)槠骷羞\(yùn)動(dòng)功能，形狀的小改變就有可能產(chǎn)生重大影響），這也是MEMS設(shè)計(jì)者關(guān)心的新問題。MEMS器件涉及多能域的耦合和轉(zhuǎn)換又是另一個(gè)IC設(shè)計(jì)中沒有的新問題，等等。本書的內(nèi)容主要就是圍繞這些問題展開的。如何對(duì)MEM。s器件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真？這是MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng)要解決的核心問題之一。由于是在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真，并不能直接考察實(shí)際器件的運(yùn)行。因此，必須構(gòu)筑一個(gè)器件能“運(yùn)行”的虛擬環(huán)境，建立描述所設(shè)計(jì)器件機(jī)械運(yùn)動(dòng)（當(dāng)然也包含由此帶來的電、熱、光、磁等多能域的運(yùn)動(dòng)）的數(shù)學(xué)模型，建模是對(duì)器件性能進(jìn)行評(píng)測(cè)的基礎(chǔ)。被設(shè)計(jì)的器件用描述它的運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型的解隨時(shí)間的演化來表征它的狀態(tài)，這種狀態(tài)（動(dòng)態(tài)模型的解）用三維可視化技術(shù)，表現(xiàn)出器件的運(yùn)動(dòng)，就可以使器件在虛擬環(huán)境中“運(yùn)行”起來，這個(gè)仿真過程稱為“虛擬運(yùn)行”。根據(jù)設(shè)計(jì)好的版圖和工藝文件去進(jìn)行器件加工，加工出來的器件和所設(shè)計(jì)的器件是否一致？設(shè)計(jì)者希望能在實(shí)際加工前就能有一個(gè)比較清楚的了解。虛擬工藝就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工具，虛擬工藝就是以設(shè)計(jì)出來的版圖和工藝文件作為輸入，輸出則是加工出來的器件的可視化三維實(shí)體形狀。由于每條加工線對(duì)結(jié)果的影響是不一樣的，所以任何一個(gè)虛擬工藝系統(tǒng)都是針對(duì)一個(gè)特定的工藝流程。

內(nèi)容概要

本書建立了一種微電子機(jī)械器件的設(shè)計(jì)方法，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能作了一些重要的補(bǔ)充和完善，其基本思路是在設(shè)計(jì)階段，當(dāng)版圖和工藝設(shè)計(jì)完成后，通過建立運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行三維可視化仿真，形成器件在虛擬環(huán)境中運(yùn)行，從而對(duì)器件的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)測(cè)。這種功能主要體現(xiàn)在：應(yīng)用三維可視化技術(shù)得到器件加工后的三維實(shí)體模型和進(jìn)行可加工性驗(yàn)證；對(duì)此實(shí)體模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，并進(jìn)行虛擬運(yùn)行，以考察其運(yùn)動(dòng)性能：建立基于IP庫的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提供了一種自頂向下和自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)手段。系統(tǒng)是開放的，各種功能都有延伸發(fā)展的空間。    本書可供微電子機(jī)械設(shè)計(jì)人員參考使用，也可作為相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的專業(yè)課教材和學(xué)習(xí)參考書。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  MEMS發(fā)展歷史的簡(jiǎn)要回顧  1.2  MEMS應(yīng)用一瞥    1.2.1  傳感微系統(tǒng)    1.2.2  微執(zhí)行器    1.2.3  信息微系統(tǒng)    1.2.4  生物微系統(tǒng)    1.2.5  軍事用MEMS器件  1.3  MEMS設(shè)計(jì)現(xiàn)狀概述    1.3.1  系統(tǒng)級(jí)仿真    1.3.2  器件級(jí)仿真    1.3.3  工藝級(jí)仿真  1.4  當(dāng)前MEMS設(shè)計(jì)存在的問題及其解決途徑    1.4.1  MEMS與IC的差別及其對(duì)設(shè)計(jì)的影響    1.4.2  動(dòng)態(tài)性能的建模仿真與虛擬運(yùn)行    1.4.3  IP庫與虛擬工藝    1.4.4  關(guān)于設(shè)計(jì)方法學(xué)的一些思考  參考文獻(xiàn)第2章  微機(jī)電系統(tǒng)工藝級(jí)仿真——虛擬工藝技術(shù)  2.1  虛擬工藝的一般概念    2.1.1  MEMS的工藝仿真    2.1.2  什么是虛擬工藝    2.1.3  虛擬工藝的兩種技術(shù)路線  2.2  微機(jī)電系統(tǒng)制造工藝    2.2.1  光刻    2.2.2  表面硅工藝    2.2.3  體硅工藝    2.2.4  鍵合工藝    2.2.5  LIGA工藝    2.2.6  其他工藝  2.3  基于專家知識(shí)的工藝流程仿真    2.3.1  基于體塊模型的虛擬工藝    2.3.2  基于體素（voxel）模型的虛擬工藝  2.4  基于物理模型的MEMS工藝仿真    2.4.1  投影式光學(xué)光刻工藝仿真    2.4.2  DRIE工藝仿真  2.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章  微機(jī)電系統(tǒng)的行為級(jí)仿真建模方法  3.1  基于機(jī)理的動(dòng)態(tài)模型建模方法    3.1.1  微懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型    3.1.2  微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)模型    3.1.3  微馬達(dá)的動(dòng)態(tài)模型  3.2  基于系統(tǒng)辨識(shí)的動(dòng)態(tài)模型建模方法    3.2.1  基于系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法    3.2.2  基于系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法的實(shí)施過程  3.3  MEMS器件動(dòng)態(tài)模型建模實(shí)例    3.3.1  電容式微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)模型    3.3.2  微流量泵的動(dòng)態(tài)模型  3.4  基于標(biāo)準(zhǔn)等效結(jié)構(gòu)的建模方法    3.4.1  基本思路和一些概念    3.4.2  等效到機(jī)械域的等效結(jié)構(gòu)建模方法  3.5  電路標(biāo)準(zhǔn)等效模型的建模與仿真方法    3.5.1  基本思路和一些概念    3.5.2  標(biāo)準(zhǔn)等效結(jié)構(gòu)模型    3.5.3  靜電換能器模型  3.6  采用VHDL AMS語言的建模與仿真方法    3.6.1  VHDL AMS建模方法    3.6.2  微加速度計(jì)的VHDL AMS語言建模與仿真  3.7  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第4章  微機(jī)電系統(tǒng)的虛擬運(yùn)行  4.1  虛擬運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)框架    4.1.1  什么是虛擬運(yùn)行    4.1.2  虛擬運(yùn)行的入口——虛擬組裝    4.1.3  虛擬運(yùn)行的流程    4.1.4  動(dòng)態(tài)模型求解    4.1.5  三維可視化技術(shù)  4.2  虛擬運(yùn)行實(shí)例    4.2.1  微懸臂梁機(jī)理模型求解與虛擬運(yùn)行    4.2.2  微馬達(dá)機(jī)理模型數(shù)值解與虛擬運(yùn)行    4.2.3  微流量泵的模型與虛擬運(yùn)行  4.3  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第5章  基于IP庫的MEMs設(shè)計(jì)系統(tǒng)  5.1  基于IP庫的MEMS設(shè)計(jì)方法    5.1.1  IP庫的概念    5.1.2  基于IP庫的MEMS設(shè)計(jì)流程  5.2  可視化建模方法——虛擬組裝    5.2.1  虛擬組裝的基本流程    5.2.2  基于節(jié)點(diǎn)分析法的虛擬組裝    5.2.3  基于節(jié)點(diǎn)分析法的虛擬組裝的實(shí)現(xiàn)  5.3  基于IP庫的MEMs設(shè)計(jì)系統(tǒng)的形式化描述    5.3.1  IP庫的形式化描述    5.3.2  系統(tǒng)功能形式化描述    5.3.3  設(shè)計(jì)系統(tǒng)的形式化描述  5.4  基于IP庫的MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)    5.4.1  基于IP庫的MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架    5.4.2  IP模塊及IP庫的實(shí)現(xiàn)    5.4.3  微泵設(shè)計(jì)過程的實(shí)現(xiàn)    5.4.4  基于IP庫的MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng)的器件設(shè)計(jì)  5.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第6章  MEMS器件設(shè)計(jì)案例  6.1  微鏡光開關(guān)的設(shè)計(jì)    6.1.1  微鏡光開關(guān)的總體設(shè)計(jì)    6.1.2  靜電驅(qū)動(dòng)光開關(guān)模型    6.1.3  光開關(guān)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析    6.1.4  光開關(guān)虛擬運(yùn)行    6.1.5  虛擬工藝  6.2  硅微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)    6.2.1  硅微加速度計(jì)概述    6.2.2  電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析    6.2.3  雙端四梁微加速度計(jì)的虛擬工藝仿真    6.2.4  雙端四梁微加速度計(jì)的虛擬組裝    6.2.5  雙端四梁加速度計(jì)的虛擬運(yùn)行    6.2.6  加工結(jié)果及機(jī)械性能檢驗(yàn)    6.2.7  封裝及電路測(cè)試  6.3  靜電驅(qū)動(dòng)式微夾鉗的設(shè)計(jì)    6.3.1  靜電驅(qū)動(dòng)式微夾鉗概述    6.3.2  靜電驅(qū)動(dòng)式微夾鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析    6.3.3  虛擬工藝仿真    6.3.4  基于機(jī)械域等效結(jié)構(gòu)的虛擬組裝    6.3.5  基于電域的基本等效結(jié)構(gòu)模型的虛擬運(yùn)行    6.3.6  實(shí)際加工結(jié)果及其精度驗(yàn)證  6.4  小結(jié)  參考文獻(xiàn)《半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)叢書》已出版書目

章節(jié)摘錄

插圖：3.有關(guān)模型應(yīng)用的幾個(gè)問題如何應(yīng)用所得到的模型還有幾個(gè)問題需要作進(jìn)一步討論。建模的目的是要對(duì)器件的（動(dòng)態(tài)）運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，而有限元分析是對(duì)器件的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）性能的分析，即在給定外力作用下，器件的變形的穩(wěn)定狀態(tài)。它并不給出這種變形的過程，也就是說不分析變形的過渡過程，而這個(gè)過程正是進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)所關(guān)心的。例如，對(duì)微流量泵的雙金屬驅(qū)動(dòng)膜片的分析，希望能分析膜片在整個(gè)加熱／冷卻過程中變形的變化，這顯然是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，用目前的方法如何來做到這一點(diǎn)呢？首先，將驅(qū)動(dòng)膜片變形（即電加熱）的整個(gè)時(shí)間區(qū)間，分為若干時(shí)間點(diǎn)，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上都建立一個(gè)靜態(tài)模型。那么，在整個(gè)時(shí)間區(qū)間上就得到一族靜態(tài)模型，只要時(shí)間點(diǎn)選得合適，這一族靜態(tài)模型就能從整體上體現(xiàn)器件的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)評(píng)測(cè)也就夠用了（事實(shí)上也沒有必要用器件在連續(xù)時(shí)間上的動(dòng)態(tài)性能來進(jìn)行評(píng)測(cè)）。這里的做法就是在合適的時(shí)間分辨率下，用一族靜態(tài)模型來逼近連續(xù)時(shí)間上的動(dòng)態(tài)模型，達(dá)到問題的極大的簡(jiǎn)化。其次，即使如上所說的求取一族靜態(tài)模型，也會(huì)帶來很大的工作量。為了更進(jìn)一步簡(jiǎn)化問題，減少工作量，需要深入分析一下這一族靜態(tài)模型是否有什么規(guī)律可循。為此，來分析一下有限元計(jì)算。以工程中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)——鉸支桿為例說明有限元計(jì)算的一個(gè)重要的內(nèi)在特征。

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《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì):建模、仿真與可視化》：半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)叢書。

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