MEMS各种仿真软件的比较分析

MEMS 器件、仿真与系统集成期中测验（三）（占考试成绩的 20%，中英文答题均可， 5 月 30 日交电子版。任课教师：陈剑鸣）研究生： 段 海 军 （签字）学 号： 2010211014 MEMS 设计、仿真软件的综合比较。 （占本课程的 20%） 。具体要求：1） 用表格形式对 MEMS 常用的软件进行比较。比较的软件四大类：TannerPro（主要是 L-edit） ，HFSS, CoventorWare，IntelliSense，ANSYS2） 比较的内容： 公司、厂家； 软件的总体描述； 软件的模块关系（模块组成） ； 按模块来阐述的主要用途； 按模块来阐述的性能参数； 软件所做的实例图（分模块） 。 你对此软件（或者是具体模块）的看法和评价，不少于 5 个模块。作业作答如下：由于制作表格不是很方便，每个软件包含的内容非常多，所以我采用如下形式的方式来分析比较上面五个软件。一 TannerPro（主要是 L-edit）1.1 公司、厂家：Tanner Research 公司1.2 软件的总体描述Tanner 集成电路设计软件是由 Tanner Research 公司开发的基于 Windows平台的用于集成电路设计的工具软件。该软件功能十分强大，易学易用，包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit 与 LVS，从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。其中的 L-Edit 版图编辑器在国内应用广泛，具有很高知名度。L-Edit Pro 是 Tanner EDA 软件公司所出品的一个 IC 设计和验证的高性能软件系统模块，具有高效率，交互式等特点，强大而且完善的功能包括从 IC 设计到输出，以及最后的加工服务，完全可以媲美百万美元级的 IC 设计软件。L-Edit Pro 包含 IC 设计编辑器(Layout Editor)、自动布线系统(Standard Cell Place & Route)、线上设计规则检查器（DRC ） 、组件特性提取器（Device Extractor） 、设计布局与电路 netlist 的比较器(LVS)、CMOS Library、Marco Library，这些模块组成了一个完整的 IC 设计与验证解决方案。L-Edit Pro 丰富完善的功能为每个 IC 设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。Tanner Tools Pro 是一套集成电路设计软件，包含以下几种工具：S-Edit (编辑电路图)。T-Spice（电路分析与模拟） 。W-Edit （显示 T-Spice 模拟结果） 。L-Edit （编辑布局图，自动布局布线，DRC，电路转化） 。LVS （版图和电路图对比） 。1.3 软件的模块关系及其主要用途与实例图S-Edit模块：可以继续在Core模块中继续寻找更低一级的模块，直至到MOS晶体管。T-Spice 模块： 是电路仿真与分析的工具，文件内容除了有元件与节点的描述外，还必须加上其他的设定。有包含文件（include file）、端点电压源设置、分析设定、输出设置。L-Edit 模块：是一个布局图的编辑环境功能包括设计导航、分析图层、截面观察、设计规则检查、转化等。LVS 模块： 是用来比较布局图与电路图所描述的电路是否相同的工具，也就是说比较 S-Edit 绘制的电路图与 L-Edit 绘制的布局图是否一致。图 1 S-Edit 模块界面图图 2 S-Edit 实例图图 3（a）T-Spice 模块等效电路图 （b）模拟仿真结果1.4 Tanner Pro 软件的设计流程Tanner Pro 软件的设计流程可用如下图 4 所示；将要设计的电路先以 S-Edit 编辑出电路图，再将该电路图输出成 SPICE 文件。接着利用 T-Spice 将电路图模拟并输出成 SPICE 文件，如果模拟结果有错误，N 回 S-Edit 检查电路图，如果 T-Spice 模拟结果无误，则以 L-Edit 进行布局图设计。用 L-Edit 进行布局图设计后要以 DRC 功能做设计规则检查，若违反设计规则，再将布局图进行修改直到设计规则检查无误为止。将验证过的布局图转化成 SPICE 文件，再利用 T-Spice 模拟，若有错误，再回到 L-Edit 修改布局图。最后利用 LVS 将电路图输出地 SPICE 文件与布局图转化的 SPICE 文件进行对比，若对比结果不相等，则回去修改 L-Edit 或 S-Edit 的图；直到验证无误后，将 L-Edit 设计好的布局图输出成 GDSII 文件类型，再交由工厂去制作半导体过程中需要的光罩。如下是 Tanner 数字 ASIC 设计流程图：图 4 Tanner 数字 ASIC 设计流程图1.5 L-Edit 模块介绍（1）L-Edit 画图布局详细步骤1）打开 L-Edit 程序，保存新文件。2）取代设定（File-Rep lace Setup） 。3）环境设定（Setup-Design） 。4）选取图层。5）选择绘图形状绘制布局图。6）设计规则设定（MOSIS/OPBIT 2.OU）和设计规则检查（DRC） 。7）检查错误，修改（移动）对象。8）再次进行设计规则检查。（2）使用 L-Edit 画 PMOS 布局图1)用到和图层包括 N Well,Active, N Select, P Select, Poly, Metal1,Metal2,Active Contact,Via。2)绘制 N Well 图层：L-Edit 编辑环境是预设在 P 型基板上，不需定义 P型基板范围，要制作 PMOS，首先要作出 N Well 区域。根据设计规则 Well 区电最小宽度的要求（10 ） ，可画出 N Well 区。3）绘制 Active 图层：定义 MOS 管的范围。PMOS 的 Active 图层要绘制在 N Well 图层之内。根据设计规则要求，Active 的最小宽度为 3 。可在 N Well中画出 Active 图层。4）绘制 P Select 图层：定义要布置 P 型杂质的范围。绘制前进行 DRC 可发现相应错误。绘制时注意遵守规则：Not Selected Active。绘制时注意遵守规则：Active to P-Select Edge 最小 2 。同时还要注意 pdiff 层与 N Well层要遵守 5 。5）绘制 Poly 图层：定义成长多晶硅，最小宽度 2 。6）绘制 Active Contact 图层：源极、漏极接电极需要。标准宽度 2 。7）绘制 Metal1 图层：最底层的金属线。图 5 使用 L-Edit 画 PMOS 布局图（3）使用 L-Edit 编辑标准逻辑元件1）标准元件库中的标准元件的建立符合某些限制，包括高度、形状与连接端口的位置。标准元件分为逻辑元件与焊垫元件。2）操作流程：进入 L-Edit-建立新文件-环境设定-绘制接合端口-绘制多种图层形状-设计规则检查-修改对象-设计规则检查3）绘制接合端口：每一个标准元件一个特殊的端口叫做接合端口，它的范围定交出元件的尺寸及位置即元件的边界。4）绘制电源与电源接口:典型标准元件的电源线分布在元件的上端和下端。注意标准单元库中的每一个标准元件其电源端口必须有相同的真对高度，且电源端口的宽度必须设定为 0，位置必须贴齐 Abut 范围的两边。5）绘制 N Well 层：在 P 型基板上制作 PMOS 的第一步流程。横向 24 格，纵向 38 格。6）编辑 N Well 节点：因为 PMOS 基板也需要电源，故需要在 N Well 上建立一个欧姆节点。在 Abut 端口的上方，绘制出 Active, N Select、 Active Contact 这 3 种图层。7）编辑 P 型基板节点：NMOS 基板也需要接地，故此需要在 P base 上建立一个欧姆节点。在 Abut 端口的下方，绘制出 Active、P Select、Active Contact 这 3 种图层。8）绘制 P Select 图层。植入 P 型杂质需要。两部分：一是在 N Select 右边加上一块横向 11 格、纵向 10 格；一是在下方再加上横向 18 格，纵向 22 格。9）绘制 NMOS Active 图层：定义 MOS 的范围，Active 以外的地方是厚氧化层区（或称场氧化层） 。一是在原上部 Active 下接一块横向 12 格，纵向 4 格的方形 Active，一是在其下方再画横向 14 格、纵向 18 格的方形 Active。10）绘制 N Select 图层：植入 N 型杂质需要。一是在 Abut 下部 PSelect右边加横向 11 格，纵向 10 格；一是在刚上方加横向 18 格，纵向 22 格。11）绘制 PMOS Active 图层：一是在原下部 Active 上接一块横向 12 格，纵向 4 格的方形 Active，一是在其上方再画横向 14 格、纵向 18 格的方形Active。12）绘制 Poly 层：Poly 与 Active 相交集为栅极所在位置。横向 2 格，纵向 70 格。绘制完此步，请先进行 DRC 无误后再继续。13）绘制输入信号端口（A）：标准元件信号端口（除电源和地）的绕线会通过标准元件的顶端或底部。一个标准元件信号端口要求高度为 0，且宽度最好为整数值。自动绕线时用 Metal2，故需先将输入端口由 Metal2 通过 Via 与Metal1 相连，在通过 Metal1 通过 Poly Contact 与 Poly 相连。DRC 确认无误。14）绘制 PMOS 源极接线：需要将 PMOS 左端 P 型扩散区与 Vdd 相连。利用Metal1 与 Vdd 相连，Metal1 与 Active 间通过 ActiveContact 相接。15）绘制 NMOS 源极接线：需要将 NMOS 左边 N 型扩散区与 Gnd 相连。利用Metal1 与 Gnd 相连，Metal1 与 Active 间通过 ActiveContact 相接。16）连接 PMOS 与 NMOS 的基极：将 NMOS 的右边扩散区和 PMOS 的右边扩散区利用 Metal1 相连，并在 Metal1 与 Active 重叠区打上节点。17）绘制输出信号端口（OUT） 。18）更改元件名称为 INV，转化为 spice 文件(TOOLSExtract)。1.6 L-Edit 的实际范例L-Edit 是一个布局图的编辑环境，在此以 Tanner Tools Pro 所附的范例Lights.tdb 文件为例，进行 L-Edit 基本结构的介绍。Lights.tdb 文件中有很多组件（cell） ，Lights 组件、core 组件、IPAD 组件、OPAD 组件等，每一个组件都是一个布局图，一个组件可以应用其他组件而形成层次式结构。Lights.tdb 文件是个标准组件组动配置与绕线（SPR）的范例。此范例是利用S-Edit 的 Lights.tdb 文件输出地 TRP 文件来进行标准组件自动配置与绕线而产生 Lights 组件的。图 6 范例电路图图 7 （a）只显示 Poly，Active，N well 图层 （b）截面观察二 HFSS2.1 公司、厂家：美 国 Ansoft 公 司2.2 软件的总体描述Ansoft HFSS （全称 High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是 Ansoft 公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。2.3 软件的模块组成及其主要用途DESIGNER 模块：在 DESIGNERTM 里结合二维版图，工艺流程，和材料特性，CoventorWareTM 可以生成三维模型，进行网格的自动划分。ANALYZER 模块：针对客户所关心的问题，分析人员可以调用 ANALYZERTM里专门针对 MEMS 器件分析开发的多个求解器，对 MEMS 器件的三维模型进行结构力学、静电学、阻尼、电磁学、多物理场耦合（含压电, , 及压阻问题）、微流体（主要涉及 Biochip 和 Inkjet）等物理问题的详细分析。ANALYZERTM 还可对边界条件、材料特性、三维模型几何形状等进行参数分析，研究这些参数对器件性能的影响。INTEGRATOR 模块：利用 INTEGRATORTM，设计人员可以从三维分析结果提取MEMS 器件宏模型，反馈回 ARCHITECTTM 里进行系统性能的验证，从而完成 MEMS的设计。支持的格式包括：Verilog-A (Cadence), MAST(Architect), and MATLAB 同时，用户也可以利用 INTEGRATORTM 建立自己 MEMS 产品涉及到的宏模型库，为新产品的开发提供技术储备。2.4 Ansoft HFSS 的应用领域2.4.1 天线 （1）面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线 （2）波导：圆形/矩形波导、喇叭 、波导缝隙天线（3）线天线：偶极子天线、螺旋线天线 （4）天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS） 、 （5）雷达散射截面（RCS） 2.4.2 微波 （1）滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 （2）EMC （Electromagnetic Compatibility ）/EMI （Electromagnetic Intergerence ）：屏蔽罩、近场远场辐射 （3）连接器：同轴连接器底板、过渡 （4）波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器 （5）Silicon/GaAs：螺旋电感器、变压器 2.5 HFSS 的操作界面和菜单功能介绍Ansoft HFSS 的界面主要包括：菜单栏（Menu bar） 、工具栏（Toolbars） 、工程管理（Project Manage）窗口、状态栏（Status bar） 、属性窗口（Properties window） 、进度窗口（Progress window） 、信息管理（Message Manage）窗口和 3D 模型窗口（3D Modeler Window） 。 图 8 Ansoft HFSS的 操 作 界 面菜单栏（Menu bar）:绘图、3D 模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。工具栏（Tool bar）:对应菜单中常用的各种命令，可以快速方便的执行各种命令。 工程管理（Project Manage）:窗口显示所以打开的 HFSS 工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。 状态栏（Status bar）:位于 HFSS 界面底部，显示当前执行命令的信息。 属性窗口（Properties window）:显示在工程树、历史树和 3D 模型窗口中所选条目的特性或属性。 进度窗口（Progress window）:监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。 信息管理（Message Manage）:窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。 3D 模型窗口（3D Modeler Window）:是创建几何模型的区域，包括模