[發明專利]一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法

有效

• 申請號: 202310402932.8
• 申請日: 2023-04-17
• 公開（公告）號: CN116127887B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 周再發;王九州;徐昊;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/3308
• 分類號: G06F30/3308;G06F30/3323;G06F30/23
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

1.一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟1，分析MEMS器件物理機制，將MEMS器件涉及的多能量域分開處理，將MEMS器件物理過程分為線性物理過程和非線性物理過程；

步驟2，在有限元軟件中對MEMS器件的傳感結構進行三維實體建模，確保三維模型幾何，尺寸、結構、材料參數與真實MEMS傳感器保持一致；

步驟3，線性物理過程由于其過程簡單，涉及的物理能量場單一，使用有限元仿真分析MEMS器件的線性單物理場過程，對步驟2中的三維實體模型施加線性物理約束條件，進行有限元仿真，得到線性物理過程的輸入輸出有限元仿真瞬態響應數據；

步驟4，使用線性傳遞函數描述線性物理過程的輸入輸出關系，使用系統識別方法，對步驟3獲得的有限元仿真瞬態數據進行系統識別；根據所得到的數據特征，選擇在頻率域或者時間域中進行系統識別，從而得到MEMS器件線性物理過程的輸入輸出傳遞函數；

步驟5，使用Verilog?A硬件描述語言對非線性過程的物理表達式進行描述，將非線性物理過程或其他物理能量域，耦合到步驟4所識別的線性傳遞函數中，通過Verilog?A硬件描述語言對整個MEMS器件物理過程進行封裝，建立MEMS器件宏模型，將包含完整物理過程的MEMS器件宏模型導入到系統級電路仿真工具中進行MEMS-IC協同分析。

2.根據權利要求1所述的一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步驟1中，所述線性物理過程和非線性物理過程中，機械運動、熱傳導過程往往是線性物理過程，在MEMS器件的材料參數恒定、工作環境穩定的條件下，使用傳遞函數描述該過程的輸入輸出關系；靜電力、電磁場、熱對流物理過程滿足的物理方程是非線性的，使用VerilogA硬件描述語言對非線性物理方程進行描述，從而簡化整個MEMS器件物理過程的分析。

3.根據權利要求2所述的一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，所述線性物理過程和非線性物理過程中，以MEMS電容式加速度計為例，在不考慮電容極板間的靜電力時，整個物理過程等效為線性彈簧阻尼系統，質量塊的位移與施加在質量塊上的外界加速度滿足線性關系，加速度計傳感質量塊的運動方程：

（1）

其中，m是質量塊質量，b是極板間空氣阻尼系數，k是懸臂梁勁度系數，x(t)是偏離平衡位置的位移變化量，是質量塊所受慣性加速度；對上式（1）進行Laplace變換后：

（2）

其中，s是復變量，x(s)表示復頻域的位移，表示復頻域的加速度，m是質量塊質量，b是極板間空氣阻尼系數，k是懸臂梁勁度系數；

考慮梳齒電容極板之間的靜電力，將其等效為施加在質量塊上的一個慣性力，這個梳齒電容極板間的靜電力F_e是極板間距的非線性函數：

（3）

其中，N表示梳齒數量，ε表示材料介電常數，d表示初始極板間距，x表示偏離初始位置的位移，l表示梳齒電極長度，h為重疊部分極板厚度，V為電容極板間電壓差；因此，將MEMS電容式加速度傳感器分為彈簧質量阻尼的線性過程和電容極板間靜電力非線性過程。

4.根據權利要求1所述的一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步驟2中，所述對MEMS器件的傳感結構進行三維實體建模，以MEMS電容式加速度計為例，其傳感結構包括質量塊、可動與固定的梳齒電容以及連接質量塊的懸臂梁結構，固定電極板又分為敏感電極和驅動電極。

5.根據權利要求1所述的一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步驟3中，所述對步驟2中的三維實體模型進行有限元仿真；首先是三維實體模型的網格劃分，其次是對線性物理過程的邊界條件賦予，求解得到線性物理過程的輸入輸出有限元仿真瞬態響應數據。