系统级设计方法及其在力学特性集成测试中的应用

第１９卷第５期　２００６年１０月　传感技术学报　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　Ｖ０１．１９　Ｎｏ．５　

０ｃｔ．２００６　

Ｓｙｓｔｅｍ－Ｌｅｖｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＧＵＡＮ　Ｌｅ　’　，ＣＨＵＪｉｎ—ｋｕｉ　＇　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ　’　，ＺＨＡＮＧ　Ｄｕａｎ—ｑｉｎ　’　，ＷＡＮＧ　Ｌｉ—ｄｉｎｇ　’　ｆ：　ｍ。ｎ口　。　：２　ｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｏｌｏｇ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ￣Ｎ。一　ｎ口　打　。ａｌ　Ｍｃｈｉｎｉｎｇ　ｏｆＭＤａｌｉａｎ　１　１６０２３　ｃｈ　ｎａ２　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｏ　Ｔｅｃｈｎｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２３　ｃｈｉｎａ　ｙ。，Ｅ　“ｃｎ　。　’］ｌ　，；　１．，，　ｌ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｏｎ－ｃｈｉｐ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｈａｖｅ　ａ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ．Ｓｙｓｔｅｍ－ｌｅｖｅｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍａｃｒｏｍｏｄｅｌ　ｈａｖｅ　ｂｅｃａｍｅ　ａ　ｆａｍｏｕｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｉｅｌｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｃｈａｒ—　ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ＭＥＭＳ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｅｖｅｎ　ｉｆ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ＭＥＭＳ　ａｒｅ　ａｃｒｏｓｓ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｏｍａｉｎｓ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｍａｃｒｏｍｏｄｅｌ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ＮＯ—　ＤＡＳ　ｍｅｔｈｏｄ　ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ．Ａｎ　ｏｎ－ｃｈｉｐ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｙｏｕｎｇ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｉｌｉｃｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍ－ｌｅｖｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｍａｃｒｏｍｏｄｅｌ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ；Ｙｏｕｎｇ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ＥＥＡＣＣ：７２１０　

系统级设计方法及其在力学特性集成测试中的应用　关　乐　，褚金奎　，王晓东　，张段芹　，王立鼎　，１．大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室。大连１１６０２３Ｉ、　＼２．辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，大连１１６０２３　／　

摘　要：随着对微尺度下ＭＥＭＳ材料力学特性研究的深入，片上集成测试方法应用愈加广泛．针对ＭＥＭＳ系统具有多能量　域耦合的特点，应用基于ＭＥＭＳ宏模型技术的系统级设计工具来获得整个系统的行为特性已成为研究热点．概述了几种建立　ＭＥＭＳ宏模型的基本方法，并对其中的节点法进行了详细阐述，利用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ软件设计了一种测试多晶硅杨氏模量的　集成测试结构，首次将系统级设计方法引入集成测试结构的设计，提高了设计效率．仿真结果可靠．　关键词：系统级设计；宏模型；集成测试；杨氏模量　中图分类号：ＴＢ３０２．３；ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１ｏ０４－１６９９（２００６）０５—１３１３－０６　

随着微电子工艺和微机械加工技术的发展，可　以将微机械结构与微电子元件单片集成从而构成能　够实现各种能量转换和信号传递的微机电系统　．　由于ＭＥＭＳ系统中的微机械结构具有的几何或材　料非线性以及多物理场耦合性，特别是各种非电能　量域的行为最终需要通过控制或检测接口电路转化　为电信号进行处理，使得传统的设计方法和设计工　具难以实现对整个耦合系统的行为进行快速准确的　设计与仿真，因此系统级设计方法和工具的开发成　为了ＭＥＭＳ设计领域新的研究热点　．　

收稿日期：２００６—０７—０１　基金项目：国家自然科学基金资助（５０５３５０３０）　作者简介：关乐（１９８１一），男，博士在读（通讯联系人）．研究方向为ＭＥＭＳ系统级设计方法，ｈａｉｓｈｅｎｇｔｉａｎ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ；　褚金奎（１９６５一），男，教授，博士生导师．研究方向为微机械电子系统（ＭＥＭＳ）；微能源；机器人机构学及ＣＡＤ；智能　机器人及微机器人；　王晓东（１９６７一），男，教授、博士生导师，研究方向为微制造装备技术。微装配技术与系统；　张段芹（１９８１一），女，博士在读．研究方向为微构件力学性能测试；　王立鼎（１９３４一）。男，中国科学院院士，教授，博士生导师．　

维普资讯 http://www.cqvip.com １３１４　传感技术学报　２００６鱼　ＭＥＭＳ结构尺寸一般在亚微米到毫米之间，并　且受工艺限制大多数材料制作成薄膜结构，其中典　型材料如硅基材料、金属、聚合物等力学特性与宏观　体相材料相比有很大不同【４］．为了满足ＭＥＭＳ设计　需要，急需建立准确完善的力学性能参数数据库．传　统的测试方法和仪器不能满足对于ＭＥＭＳ微构件　力学性能的测量，因此建立新的测试方法和技术的　研究已广泛开展［５］．集成测试法是将试样与驱动器　和传感器利用微加工工艺集成在同一芯片上，具有　精度高，重复性好，操作简单等特点，是一种有效测　试微构件力学性能的新方法．由于驱动方式的多样　性（静电、热驱动）以及需要对检测信号的后处理使　得集成测试系统成为典型的多能量域耦合系统，因　此应用系统级设计工具和方法对其进行设计仿真具　有显著的优点．　系统级设计方法主要的难点在于如何为每个物　理场建立准确高效的模型，以及各个物理场之间的　正确耦合．这种模型称为宏模型（ｍａｃｒｏｍｏｄｅ１）或降　阶模型（ｒｅｄｕｃｅｄ－ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄｅ１）Ｌ６Ｊ．它应是用一组代　数微分方程组描述的解析模型，具有少量的自由度；　包含器件的几何参数和材料属性；可以模拟保守与　耗散系统的行为及系统的静态和动态特性．最后通　过ＭＡＳＴ、ＶＨＤＬ－ＡＭＳ、Ｖｅｒｉｌｏｇ—ＡＭＳ等混合信号　硬件描述语言对宏模型进行描述，并放入已有的成　熟混合信号系统级设计工具中，如Ｓａｂｅｒ，Ｓｉｍｐｌｏｒ—　ｅｒ，Ｖｉｒｔｕｏｓｏ　Ｓｐｅｃｔｒｅ等，就可以实现对整个非电能　量域与外围接口电路组成的耦合系统的系统级仿　真．此方法仿真速度快，求解精度高，应用范围广泛．　１　系统级设计方法及工具　１．１等效电路法　强大的电路设计ＥＤＡ工具对于推动微电子工　业的发展起了重要的作用，ＭＥＭＳ行业是在微电子　工业基础上发展起来的，因此对于早期ＭＥＭＳ设计　者来说使用已有的电路ＥＤＡ设计工具同样具有巨　大的吸引力．最早的ＭＥＭＳ产品系统级设计就是利　用ＥＤＡ工具进行的．这种设计思想是把真实非电　能系统与电能系统类比，通过分析描述二者物理规　律的数学方程的相似性把非电能系统中的集总或分　布参数等效为电路系统中的电参数，从而得到原系　统的等效电路，然后利用成熟的电网络分析软件（如　ＳＰＩＣＥ）对等效电路进行仿真分析．这种方法被称为　等效电路法［７］．例如典型二阶弹簧一质量一阻尼系统　中的质量、阻尼和刚度系数可分别等效成ＲＩ　Ｃ振荡　电路中的电容、电阻倒数和电感倒数．　此方法实现了与电路分析软件的无缝连接，物　理概念清晰，但是建立等效电路比较困难，建立的模　型受到ＳＰＩＣＥ模型库的限制，且仅能进行小信号分　析，仿真误差较大．　１．２　ＳＵＧＡＲ　美国ＵＣ　Ｂｅｒｋｅｌｅｙ大学采用改进的节点法在　Ｍａｔｌａｂ平台上研发了ＭＥＭＳ分析仿真软件ＳＵＧ—　ＡＲＥ　．其直接用解析方程建立了基本的ＭＥＭＳ结　

构单元模型，并深入研究了ＭＥＭＳ设计的综合与优　化问题，采用自然模拟优化算法来求解所有优化问　题．其计算量较大．　１．３　ＮＯＤＡＳ法（ＮＯｄａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒｓ）　ＮＯＤＡＳ法【９］是美国Ｃａｒｎｅｇｉｅ　Ｍｅｌｌｏｎ大学研　发的系统级仿真方法．它目前主要用于被称为悬浮　ＭＥＭＳ（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ＭＥＭＳ）器件的仿真当中．Ｓｕｓ—　ｐｅｎｄｅｄ　ＭＥＭＳ是指结构中具有可动部件并且其通　过弹性结构固定在支撑点．ＮＯＤＡＳ方法的核心是　建立包括锚点、梁、板、电梳等基本单元在内的几何　参数集总行为模型库，将基本单元用硬件语言建模，　每个单元可以通过定义的端口交换信息，每个端口　同时定义跨量（ａｃｒｏｓｓ　ｖａｒｉａｂｌｅ）和流量（ｔｈｒｏｕｇｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ），它们在不同的物理场将代表不同的物理　参量．根据实际器件的几何拓扑结构、材料属性及所　属能量域选择合适的模型单元，将选择的基本单元　相连接组成整个系统的原理图．在系统级仿真工具　中将原理图网表化，进而可以进行静态工作点分析、　频域分析、时域分析等．ＮＯＤＡＳ法目前主要用于加　速度计，微镜，射频开关、谐振滤波器、压力传感器等　悬浮ＭＥＭＳ产品的设计仿真．　１．４常用工具　目前国外商用的具有系统级设计功能的　ＭＥＭＳ仿真软件主要有ＩｎｔｅｌｌｉＳｕｉｔｅ、ＭＥＭＳ　Ｐｒｏ和　ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．其中ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ中的系统级设　计模块Ａｒｃｈｉｔｅｃｔ正是基于Ｓａｂｅｒ平台开发．它包括　机械、电子、电磁、射频、光学、流体等多个能量域的　单元库，支持ＭＡＳＴ和ＶＨＤＩ＝ＡＭＳ语言描述的模　型，并可以和其他著名ＥＤＡ软件Ｃａｄｅｎｃｅ、Ｍｅｎｔｏｒ、　Ｓｙｎｏｐｓｙｓ等进行数据交换．值得一提的是，国内很　多单位也展开了ＭＥＭＳ系统级设计方法和工具的　研究，例如北京大学的ＩＭＥＥｌ１０］系统，西北工业大　学开发的ＭＥＭＳ　Ｇａｒｄｅｎ［１　．它们与国际主流的　ＭＥＭＳ设计软件具有类似的设计思想．此外，厦门　大学［　］、清华大学［¨］、东南大学［Ｈ　等也展开了相关　工作．　

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