MEMS 基礎(chǔ)知識介紹

MEMS 日益增加的復(fù)雜性需要設(shè)計(jì)流程允許工程師在構(gòu)造實(shí)際硅片之前模擬整個(gè)制造分布、所有環(huán)境和操作條件的整個(gè)多模系統(tǒng)。這使工程師能夠快速、積極地優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便最大限度地提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)最大限度地減少流程變化和其他無法預(yù)見的相互作用而引起的輸出損失。

　　用于協(xié)同模擬的精確的統(tǒng)計(jì)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(qiáng)大設(shè)計(jì)流程是必需的。轉(zhuǎn)換器模型生成可能是時(shí)間密集型任務(wù)，特別是對于具有獨(dú)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(yùn)動方程式。模型降階 (MOR) 領(lǐng)域的進(jìn)展專門應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

　　過去，MEMS組件的機(jī)電行為一直采用傳統(tǒng)的有限元素和邊界元素方法進(jìn)行分析。商用三維解算器允許非常準(zhǔn)確、非常詳細(xì)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(jì)師選用的工具。然而，這種模擬極其耗時(shí)，對于運(yùn)行耦合場分析方面的功能仍然有限，不輕易允許與接口電子器件協(xié)同模擬，因此，它們在實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(gè)MEMS元素庫，這些MEMS元素可被組裝，構(gòu)建一個(gè)MEMS 器件的示意圖。這些子元素可能源自于理論、試驗(yàn)結(jié)果或FEA模擬。 這種方法對架構(gòu)分析非常有用，因?yàn)樗軌蜃屧O(shè)計(jì)師快速發(fā)現(xiàn)標(biāo)稱轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(dāng)子元素被視為剛性體的時(shí)候。這可能導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)的剛度估計(jì)過高，并有忽視關(guān)鍵固有模式的危險(xiǎn)，實(shí)際上可能阻礙整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　為了對顯微結(jié)構(gòu)的固有靈活性精確建模并捕捉二階和非線性行為，需要更適當(dāng)?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(dá)。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(shí)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(zhǔn)確度平衡?？梢蕴砑痈郊有螤詈瘮?shù)(additional shape function)，來提高系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確度。圖1顯示了一個(gè)示例，說明如何使用模態(tài)疊加和附加形狀函數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器上的封裝效果的預(yù)期準(zhǔn)確度。從實(shí)驗(yàn)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(yàn)證非常直接。這種高度準(zhǔn)確的降階建模方法應(yīng)當(dāng)用于組件和系統(tǒng)的低級檢驗(yàn)，且必須結(jié)合對制造分布的統(tǒng)計(jì)建模。

　　理想情況是，應(yīng)當(dāng)避免‘點(diǎn)’或非擴(kuò)展建模解決方案，因?yàn)樗鼈兿拗屏嗽O(shè)計(jì)師在系統(tǒng)水平上探索和優(yōu)化設(shè)計(jì)空間的能力。模型應(yīng)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(dāng)組件的制造分布被準(zhǔn)確表達(dá)的時(shí)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(dǎo)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(jìn)行調(diào)節(jié)。低估這種變化可能導(dǎo)致最終測試時(shí)出現(xiàn)輸出損失，而高估則可能導(dǎo)致會減少毛利的保守設(shè)計(jì)。只要核心建模的基本方程式準(zhǔn)確捕捉了物理變量對轉(zhuǎn)換器行為的影響，固體統(tǒng)計(jì)建模就可能產(chǎn)生。統(tǒng)計(jì)分布很容易從制造目標(biāo)或采用諸如后向傳播變量(IC 行業(yè)非常出名)等方法對實(shí)際制造數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣而得到。從鑄造過程中實(shí)際測量的度量指標(biāo)中獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的好處就是能夠提供檢驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)建模的比較示例。角文件包含特定西格瑪水平的統(tǒng)計(jì)建模結(jié)果。

　　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(jì)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(jì)需求，MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的商用工具必須提供方法，從轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師的有限元素環(huán)境直接獲取結(jié)果并將結(jié)果用于生成可由系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)師在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬IC 設(shè)計(jì)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(shí)間，減少錯(cuò)誤，并允許設(shè)計(jì)周期中的創(chuàng)新。

　　MEMS 模型由系統(tǒng)和IC 設(shè)計(jì)師使用，因此模型應(yīng)當(dāng)盡可能緊密地集成到用戶的設(shè)計(jì)流程。對于IC 設(shè)計(jì)師，這需要模型支持所有模擬器，具有設(shè)計(jì)流程中的各種實(shí)體化等級的多種視圖。實(shí)現(xiàn)這一功能并非易事，需要考慮質(zhì)量保證、模型驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室管理的最佳實(shí)踐。如果采用特別方法，模型使用將受損。為了促進(jìn)建模流程的更大結(jié)構(gòu)化，各公司應(yīng)當(dāng)采用設(shè)計(jì)套件。這些套件類似于鑄造車間提供的標(biāo)準(zhǔn)IC 設(shè)計(jì)套件，執(zhí)行所提到的最佳方法。

　　傳感器公司應(yīng)當(dāng)期望增加目前和可預(yù)見未來可提供的任何商用工具。MEMS設(shè)計(jì)流程中使用的工具和方法必須支持自動化模型生成、相對于系統(tǒng)性能的變量參數(shù)化、可擴(kuò)展模型和IC 設(shè)計(jì)流程集成。但是最顯而易見的是，需要投資建立可靠的統(tǒng)計(jì)模型，它能捕捉制造分布，并能讓設(shè)計(jì)環(huán)境與制造場所隨時(shí)保持一致。捕捉所討論的所有元素的MEMS流程對于實(shí)現(xiàn)下一代傳感器產(chǎn)品的最佳解決方案非常關(guān)鍵。