MEMS设计仿真软件的综合比较

1、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： （签字）学号: mems设计、仿真软件的综合比较。（占本课程的20%）o 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

2、和评价，不少于5个模块。作业作答如下: 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软件公司所岀品的一个ic设计和验证 的高性能软件系统模

3、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ol-edit pro丰富完善的功能 为每个ic设

4、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tanner数字asic设计流程图：s-edit电路图设*.spt-spice 仿真 a w-edit显示波形”lvs布局与原始电 路比较al-edit/sprl-edivextractl-edivdrc*.spc14各模块的的描述以及实例图1.4. 1 s-ed

5、it以及范例piuperties rrawxerscheumiftcwindotv(ommjnd log windows-edit 13.0 界面s-edit范例1. 4. 2 t-spicct-spice是电路仿真与分析的工具，文件内容除了有元件与节点描述外，还必须加上其他的设定。有包含文件、端点电压源设置、 分析设定、输出设置。1.4.3 lvslvs是用来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。需要spc文件和sp文件。1. 5 l-edit的使用1. 5. 1 l-edit画图布局详细步骤打开l-ed

6、it程序，保存新文件。取代设定(f订e-rep lace setup)。环境设定(setup-design)o 选取图层。选择绘图形状绘制布局图。设计规则设定(mosis/opbit 2. 0u)和设计规则检查(drc)。检查错误，修改(移动)对象。再次进行设计规则检查。1. 5. 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, metal 1, 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p

7、m0s,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(102),可画出n wcl 1区。3) 绘制active图层：定义m0s管的范围。pm0s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32。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4. 2b规则：not selected active) o绘制时注 意遵守4. 2b规则：active to p-select edge最小2 a。同时还要注意pcliff层 与n we

8、ll层要遵守2. 3a(5a)o5) .绘制poly图层：定义成长多晶硅，最小宽度2ao6) 绘制active contact图层：源极、漏极接电极需要。标准宽度22。7) 绘制metal 1图层：最底层的金属线。 二 订 .- . >->?食專盒 ¥<<事寒 7當;-?吉半：益 igi-:-養 首.:.賞冬再 in.;m;,>.,:-,:,.:h裳雲«>?nlwisw<m-< 使用l-edit画pm0s布局图1. 5. 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

9、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pm0s的第一步流程。 横向24格，纵向38格。6) 编辑nwell节点：因为

10、pm0s基板也需要电源，故需要在7 well ±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:nm0s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

11、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activeo10) .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 jl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activeo12) .绘制poly层：poly与active相交集为栅极所在

12、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metal 1相连，在通过metal 1通过poly contact与poly相连。drc确认无误。14) 绘制pm0s源极接线：需要将pm0s左端p型扩散区与vdd 相连。利用metal 1与vdd相连，metal 1与active间通过 activecontact 相接。(15)绘制nm0s源极接线

13、：需要将nm0s左边n型扩散区与gnd 相连。利用metal 1与gnd相连，metal 1与active间通过activecontact 相接。16) 连接pm0s与nmos的基极：将nm0s的右边扩散区和pmos 的右边扩散区利用metall相连，并在metal 1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(tools - extract)。用l-edit绘制的反相器标准单元布局图二 hfss2. 1公司、厂家：美国ansof t公司2.2软件的总体描述ansoft hess （全称 high frequency s

14、tructure simulator,高频结构仿真器） 是ansoft公司推岀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，己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

15、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可以牛成三维模型，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，

16、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arch1tecttm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

17、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 compatibi1ity ） /emi（elec tromagnetic intergerence ）: 屏蔽罩、近场一远 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)

18、、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)。菜单栏工具栏工程管理ogq %esx、 b 00(5 a mitill i二 j p3 乂 d "<«n>%')a00oe6660®純。4 nv.»-e nojsjrtfiiitui. a3d模型窗口进度窗口状态栏属性窗口信息管理

19、 £9 lxclt«u«q pimlyu. ik 9 ott<2 z wntmi* n»«u 4p une imlti 3?»t h«140mlj u4i»<im图3 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

20、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模型窗口屮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，包括模型视图区 域和历史树(记录创建模型的过程)。我的看法：本次课我们介绍了 ansoft公司的hfss高频伪真软件的 基本特性和基本操作，

21、并结合实际例子对一个缝隙耦合贴片 天线进行了建模和仿真。作为一个软件，学习它最好的办法 就是经常使用它，由于课堂上的时间十分有限，这里介绍的 都是基本的操作，对于其他的许多功能和定义，我们可以查 找hfss的帮助文件和用户手册。在下一节课我们将进一步学 习hfss的一些高级应用及实用技巧。三 coventorware3. 1公司、厂家：美国coventor公司3.2软件的总体描述coventorware是在著名的memcad软件上发展起来的,目前业界公认的功能最强、 规模最大的mems专用软件。拥有儿十个专业模块，功能包含mems系统/器件级 的设计与仿真，工艺仿真/仿效。其主要用于四大领域：

22、sensors/actuators, rf mems, microfluidics, optical mems。具有系统级、器件级的功能的mems专用软件，其功能覆盖设计、工艺、器件级 有限元及边界元分析仿真、微流体分析、多物理场耦合分析、mems系统级仿真 等各个领域。coventorware因其强大的软件模块功能、丰富的材料及工艺数据 库、易于使用的软件操作并与各著名eda软件均有完美数据接口等特点给工程 设计人员带来极大的方便。3. 3软件的模块组成及其主要用途coventorware 软件主要包括四个模块：architect , designer ,analyzer, integrat

23、orarchitect模块：提供了独有的pem（机电）、optical（光学）、fluidic（流体） 库元件，可快速描述出mems器件的结构，并结合周围的电路进行系统级的机、 电、光、液、热、磁等能量域的分析，找到最优的结构、尺寸、材料等设计参数, 从而生成器件的版图和工艺文件。designer模块：可进行版图设计、生成器件三维模型、划分网络单元。analyzer模块：可采用fem （有限元法）、bem （边界元法）、bpm （光速传播 法）、fdm（有限差分法）、vof（体积函数法）等分析方法进行结构分析、电磁场分 析、压电分析、热分析、微流体分析、光学分析及多物理场的全耦合分析等。int

24、egrator模块：最后从三维分析结果中提取mems器件的宏模型，反馈回 architect进行系统或器件性能的验证，完成整个设计。3. 4 coventorware的基本内容coventorware由可单独使用以补充现有的设计流程，或者共同使用以提供一个 完整的mems设计流程的4个主要部分组成。其中包括architect, designer, analyzer和integrator。该工具套件的完整性和模块间高度的一体化程度提高 了整体效率和易用性，使用户摆脱了在多个独立工具设计间手工传递数据的负 扌日。i设计开始共享狮口艺琳届鷄工艺髡辑器ma*估吉芈分折器疑烷袈公佛押+益曲笞餌设anal

25、yzer目库i结果分折器i1就器1jh* ! 1 jl -网卿呻acnesoft设计迭代architectdesigner 设计结束k"版图弟辑器广*曲空mems妳帛參物理场竺序二实体建摸圏版图输出原理图综辑器3d摸型观察器触理器图12 coventorware工作流程图architect3d快速组装來自独特和全面的mems积木库屮的mems器件，并在一个基于原理 图的系统级建模环境中仿真其与周边电子部分的行为。designer定义制造工艺，在mems版图编辑器中绘制版图布局，并自动牛成可视化3d实 体模型，以输入到解算器中.analyzer使用此最高级的3d场算法器的综合套件，分析

26、、理解和验证任何基于mems 或微流体设计的物理行为，优化mems特定的耦合物理条件。integrator提取与architect兼容的线性和非线性降阶mems模型。3. 5 coventorware分析的基本步骤coventorware分析的基木步骤包括：定义材料属性；牛成工艺流程； 生成二维版图；通过二维版图生成三维模型；划分网格生成有限元模型； 设定边界条件、加载；求解；提取、查看结果。以下我们以实例介绍该软件的整个仿真过程：悬臂梁与硅基底间电容的计算和悬臂梁的 受力分析3. 5. 1工艺过程(1) 在硅基底上沉积一层氮化物(绝缘层)；(2) 再在其上沉积一层硼磷硅玻璃(bpsg)作为牺

27、牲层(用于沉积铝)；(3) 刻蚀出支座(anchor)将要沉积的位置；(4) 采用等边沉积法沉积铝层；留下支座伽cho"和悬臂梁(beam)部分，刻蚀其余的铝层；(6)释放bpsgffi牲层。3. 5.1具体设计过程(1) 启动coventorware2003,在用户设置中设定directory(目录)，包括work directory> scratch directory> shared directoryo 只需设定工作目录，下面两个 目录是默认的，系统会自动将它设定到相应的工作路径下，coventorware所有运 行生成的文件都会写在该目录下(该目录必须是已经存在

28、的目录，在启动吋是无 法新建工作目录的)。许可文件的位置，包括coventor license> cfd license> saber license,在安装吋就已设定，默认即可。(2) 单击ok后，系统进入projects dialog window(i程对话窗口)，新建工程 名称为 beamdesign的文件夹，单击open进入function manager(功能管理器) 界面。(3) 进入designer模块，在materials中定义材料属性，选择aluminum(film), 根据题设修改其参数；再选择silicon,方法相同。单击close,就可编辑工艺过 程。(4)

29、 进入process editor(工艺编辑器)，新建一个工艺文件c,根据上述 工艺过程在工艺编辑器中设计整个流程，如图413所示。设计完后，单击close, 就可进行版图设计。口叵i冈f : beaadesi gnbea«desi gni)evicesbeaw- proc图4j3工艺过程(1) 进入layout editor (版图编辑器)，新建beam.cat文件，根据预先设计的形 状设计整个模型的二维版图，如图4-14所示。设计完后，单击close即可。anchor maskbeam mask!gnd mask图4j4 二维工艺版图(2) 在model/mesh

30、下拉栏里选择上步设计的二维版图文件beam.cat,单击build a new 3d modelo通过工艺文件c设定的厚度和模型在二维版图文件 beam.cat中的形状，就可生成三维实体模型，如图415所示。在牺牲层上沉积 铝层(b)释放牺牲层，得到模型图4-15 三位实体模型(3) 然后选取悬臂梁和基底，划分网络单元。因为要使用有限元求解器，必须 将选择的实体模型划分网格使生成若干单元体，这与ansys的处理过程相同。(4) 再次回到function manager(功能管理器)界面，进入analyzer模块，选 择memelectro求解器，点击analysis运行后，就可

31、以选择提取所需的电容和电 量值及电量密度的彩云图；同样要求解悬臂梁的应力和变形，选择memmech求 解器，同样可以提取悬臂梁的变形和应力值及彩云图。(5) 提取、查看结果。所求得的电量和电容值如图4-16(a). (b)；所示所求得的 应力和变形值如图4-17(a). (b)所示。charge dtrwty -356-052 dem-3 96-0612e-052«-054 3e-o5(a)电荷密度capacitance (pf) igroundbeamground1.484634e-02-1.484634e-02beam-1 484634e-021 484634e-02close

32、1(b)电容值ospiacementlx -16e-01-12e-01796-02-396-029 2e-o4图416 电荷密度及电容值图2 (b)悬臂梁所受最大等效应力值为39mpa图1 (a)z向最大位移为0. 16 um图4.17 悬臂梁变形和应力图四 ansys4. 1公司、厂家：美国ansys公司4.2软件的总体描述ansys是由美国ansys公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及 优化软件包，是迄今为止唯一通过is09001质量认证的分析设计类软件。该软 件是美国机械工程师协会(asme)、美国核安全局(nqa)及近二十种专业技 术协会认证的标准软件。与当前流行的其他有限元软件

33、相比，ansys有明显的 优势及突破。ansys具有能实现多场及多场耦合分析的功能,是唯一能够实现前后处理、 分析求解及多场分析统一数据库的大型有限元软件，和其他有限元软件相比， ansys的非线性分析功能更加强大，网格划分更加方便，并具有更加快速的求 解器。同时，ansys是最早采用并行计算技术的有限元软件，它支持从微机、 工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台，并可与大多数的cad软件集成并 有交换数据的接口，ansys模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级，同时，国 际上也公认其适于mems器件的模拟分析，这是其他有限元分析软件所无法比拟的。ansys有限元软件是融结构、热、流体、电磁、声学

34、于一体的大型通用有 限元分析软件，可广泛用于核工业、机械制造、电子、土木工程、国防军工、日 用家屯等一般工业及科学研究领域。ansys是国际公认的适用于mems模拟分 析的软件工具。其主要分析功能包括以下几个方面。（1）结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析（包括模态和瞬 态），断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析 等。（2）热分析包括稳态温度场分析，瞬态温度场分析，相变分析，辐射分析等。（3）高度非线性结构动力分析包括接触分析，金属成形分析，整车碰撞分析， 焊接模拟分析，多动力学分析等。（4）流体动力学分析包活层流分析，湍流分析，管流分析，牛顿流与非牛顿流 分析，内流与外流分析等。（5）电磁场分析包括电路分析，静磁场分析，变磁场分析，高频电磁场分析等。（6）声学分析包括水下结构的动力分析，声波分析，声波在固体介质屮的传播 分析，声波在容器内的流体介质中传播分析等。（7）多场耦合分析包括电场结构分析，热应力分析，磁热分析，流体结构分