[發明專利]空間連續變形MEMS的可重用參數化組件建模方法

無效

• 申請號: 200710017305.3
• 申請日: 2007-01-26
• 公開（公告）號: CN101051328A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 馬炳和;張承亮;呂湘連;苑偉政
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B81C5/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種微機電系統(MEMS)器件的模型建立方法，屬于微機電系統的計算機輔助設計(MEMS?CAD)領域。

背景技術

隨著集成度的提高，MEMS系統級設計的需求會越來越迫切。系統級設計關注對整個微系統(包含機械結構、電路以及多域耦合部件等)從整體上進行建模與性能仿真。由于相關工作存在一定難度和復雜程度，因此如何建立既能夠較準確表達器件行為又可以實現可重用參數化組件模型成為關鍵問題，對于發展MEMS?CAD技術、提高MEMS設計效率和研發水平至關重要。

現有的MEMS系統級建模方法中節點分析法可以建立MEMS器件的參數化組件模型，得到了廣泛的應用。例如，國外Carnegie?Mellon大學開發的NODAS(Design?ofActuators?andSensors)，Coventor公司的ARCHITECT、加州大學Berkeley分校的SUGUR以及國內西北工業大學的多端口三維組件建模方法等基本上都是在節點分析法基礎上發展起來的。它的基本思想是將復雜結構的器件分解為一個個單元，每個單元分別對應相應的單元庫，相當于電路中的基本元件如電阻、電容和電感等，單元之間通過節點相連，并將單元的質量和剛度集中到節點上，節點之間的變形結果未知。通常針對MEMS器件的特點，將系統分為梁、剛性平板、靜電間隙、梳齒以及錨點等基本元件。對基本元件，運用材料力學和結構動力學等方法建立集總參數的解析模型。

節點分析法通過各個MEMS功能結構的端點集中反映變形情況。但是，對于具有空間連續變形行為MEMS器件，該方法不能詳細描述其變形行為，即端點之間區域的連續變形的結果未知。實際上，大多數的MEMS結構，如膜片、懸臂梁、橋等，其變形行為都是空間連續的，這些結構往往涉及靜電域、結構域、流體域等多物理域的高度耦合，必須得到空間連續變形結果以進行與之直接相關的多域耦合行為分析。因此，針對具有空間連續變形行為特征的MEMS器件，有必要建立專門的建模方法。

發明內容

為了克服現有技術不可用于描述具有空間連續變形行為特征MEMS器件的不足，本發明提出了一種針對空間連續變形MEMS器件的可重用參數化組件模型的建立方法。

本發明提出的空間連續變形MEMS器件的可重用參數化組件模型的建立方法，包括以下的步驟：

步驟1：根據MEMS器件所涉及的能量域及其耦合方式確定描述各個能量域及其耦合狀態的動態控制方程、邊界條件方程。對于大多數MEMS器件如懸臂梁(單端固定)、橋(兩端固定)和膜片(周邊固定)等，由于其本身并不能近似為剛體，其變形具有空間連續特征，所以該類MEMS器件的動態控制方程一般為偏微分方程，其動態變形量不僅與時間有關，而且與空間位置有關。

步驟2：結合邊界條件，對步驟1確定的描述各能量域的動態控制方程進行空間離散化，在各空間維度上對MEMS器件進行均勻網格劃分，然后用差分式代替偏微分，從而把偏微分方程轉換為常微分方程組。

步驟3：根據步驟2所確定的常微分方程組，以MEMS器件的尺寸參數和工藝參數為輸入變量，采用模擬與混合信號硬件描述語言(MAST、VHDL-AMS等)進行編碼，實現器件的功能描述。

步驟4：繪制MEMS組件示意圖，與編碼進行連接，形成MEMS組件，供系統級建模和仿真分析時調用。

本發明的有益效果在于提出了一種空間連續變形MEMS器件的可重用參數化組件模型的建立方法，得到的組件模型可與電路一起進行系統仿真。本方法反映了MEMS許多功能結構所具有的空間連續變形的基本特點，對于建立具有空間連續變形行為特點的不同種類的可重用參數化組件模型具有指導作用。對于快速建立懸臂梁、橋、膜片等模型，進一步構建包含這些單元的器件或系統的模型并方便地完成相關整體特性仿真分析等具有重要支持作用。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

附圖說明

圖1：空間連續變形MEMS器件的系統級建模流程圖。

圖2：雙端固定靜電致動微梁示意圖；

圖中，1-錨點；2-下極板；3-基底；4-微梁。

圖3：一維離散化過程網格劃分圖。

圖4：靜電致動微梁參數化組件示意圖。

圖5：(a)電容式壓力傳感器的俯視圖；(b)電容式壓力傳感器的側視圖。

圖6：二維離散化過程網格劃分圖。

圖7：電容式壓力傳感器參數化組件示意圖。

具體實施方式??實施實例1：靜電致動微梁的組件模型建立方法。