[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

本發明提出了一種基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，將MEMS器件的線性物理過程和非線性物理過程分離，通過對MEMS器件線性物理過程進行系統識別，建立MEMS器件線性時不變傳遞函數模型。再將MEMS器件非線性物理過程通過硬件描述語言耦合到傳遞函數模型中，實現整個MEMS器件物理過程宏模型建模。最后，將硬件描述語言封裝的完整MEMS器件宏模型，導入到IC仿真工具中進行系統級的協同仿真。本發明以MEMS電容式加速度計宏模型建模過程為例，介紹基于系統識別法的MEMS器件宏模型建模方法，其他類型器件也可進行相同的分析與建模。

技術領域

本發明屬于MEMS器件仿真領域，涉及MEMS器件的系統識別宏模型建模方法。

背景技術

MEMS器件經過許多年的發展，器件功能越來越多樣，多物理場與非線性過程交織，導致對器件結構與物理機理仿真越來困難，同時制約了MEMS系統級仿真設計的發展。宏模型建模技術的提出正是為了克服這些不利因素，將器件的物理行為簡化成黑盒模塊，從而實現系統級的建模仿真，提高微系統傳感器設計和優化效率。傳統宏模型建模是基于等效電路法，通過將器件物理過程等效為電路中電阻、電感、電容的電學行為，從而實現非電域與電域的轉換，有利于實現MEMS器件與接口電路的協同仿真。然而，不同的幾何結構與物理機制大大增加了等效電路法的復雜程度，降低了等效電路法的通用性。本發明提出了一種基于系統識別方法的MEMS器件宏模型建模方法，將MEMS器件物理過程劃分為線性過程和非線性過程。對線性過程進行系統識別，非線性的物理過程使用Verilog?A硬件描述語言描述，最后將兩者通過Verilog?A硬件描述語言進行耦合封裝，構建出能夠插入到系統級電路仿真工具Virtuoso的MEMS器件宏模型，從而實現MEMS器件物理行為與接口電路協同仿真的目的。

發明內容

技術問題：本發明的目的在于克服傳統有限元數值計算時間長、無法進行系統級仿真的不利因素，同時也為了克服等效電路法不通用的限制，提供了一種基于系統識別方法的MEMS器件宏模型建模通用方法。通過將MEMS器件線性與非線性物理過程拆分，對器件的線性物理過程進行線性有限元分析以及傳遞函數模型的系統識別，對非線性物理過程通過Verilog?A硬件描述語言進行描述。最終，將非線性過程與線性過程的傳遞函數模型進行耦合，實現了一種較為通用的MEMS器件宏模型建模方法。經過Verilog?A封裝的MEMS器件宏模型可以實現MEMS-IC協同仿真。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明提出一種基于系統識別的MEMS器件宏模型建模方法，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。