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、仿真软件的综合比拟。占本课程的20%。具体要求：1用表格形式对MEMS常用的软件进行比拟。比拟的软件四大类： TannerPro主要是L-edit,HFSS, CoventorWare, IntelliSenseANSYS2比拟的内容：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: Tanne

2、rPro 主要是 L-editi.i公司、厂家：Tanner Research1.2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幅员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，

3、以及最后的加工效劳，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、白动布线系统Standard Cell Place & Route线上设计规那么检 查器DRC、组件特性提取器Device Extractor设计布局与电路netlist的比拟器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一套集成电路设计软件，包含以下几种工具：S-Ed

4、it编辑电路图T-Spice电路分析与模拟S-Edit 13.0 界面W-Edit显示T-Spice模拟结果L-Edit编辑布局图，白动布局布线,DRC,电路转化LVS幅员和电路图比照1.3软件的模块关系Tanner数字ASIC设计流程图:T-Spice 仿真-W-Edit显示族形*1.4各模块的的描述以及实例图1.4.1 S-Edit以及范例t-EdiVSPRL 出 it/EXTRACTPrufJtrCLnBrow% rrS-Edit范例1.4.2 T-SpiceT-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

5、定、输出设置。1.4.3 LVSLVS是用来用来比拟布局图与电路图所描述的电路是否相同的工具。也就是说比拟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-董-翻开L-Edit程序,保存新文件。： -取代设定(File-Rep lace Setup)。环境设定(Setup-Design)。： 二选取图层。使用 L-Edit 画 PMOS?局图选择绘图形状绘制布局图设计规那么设定MOSIS/OPBIT 2.OU和设计规那么检查DRC检查错误，修改移动对象。再次进行设计规那么检查。1.5.2使

6、用L-Edit画PMOSU局图1 .用到和图层包括N Well,Active, N Select, P Select, Poly, Metal1,Metal2,ActiveContact,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。根据设计规那么Well区电 最小宽度的要求10九，可画出N Well区。3 .绘制Active图层：定义MO骆的范围。PMOS勺Active图层要绘制在N Well图层之内。根据设计规那么要求，Active的最小宽度为3兀。可在N Well中 画出Active图层。4.绘

7、制P Select图层：定义要布置P型杂质的范围。绘制前进行DRCT发现相应错误。绘制时注意遵守4.2b规那么：Not Selected Active。绘制时注 意遵守4.2b规那么：Active to P-Select Edge最小2舄。同时还要注意pdiff层与N Well层要遵守2.3a52。5.绘制Poly图层：定义成长多晶硅，最小宽度2赤。6.绘制Active Contact图层：源极、漏极接电极需要。标准宽度2人。7绘制Metal1图层：最底层的金属线。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、 形状与连接端口的位置。标准元

8、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-设计规那么检查-修改对象-设计规那么检查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勺第一步流程。 横向24格，纵向38格。6).编辑N Well节点：因为PMO塞板也

9、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 ActiveContact这3种图层。7).编辑P型基板节点：NMO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 ActiveContact这3种图层。8).绘制P Select图层。植入P型杂质需要。两局部：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MOST范围，Active以外的 地方是厚氧化层区(或称场氧化层

10、)。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PMOActive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DRCE误后再继续。

11、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。白动绕线时用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。DRd认无误。14).绘制PMO斯极接线： 需要将PMO困端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NMO虢极接线：需要将NMO庆边N型扩散区与Gnd相连。利用Metal1与Gnd相连，Metal1与Ac

12、tive间通过ActiveContact相接。16).连接PMOS NMOS勺基极： 将NMO的右边扩散区和PMOS的右边扩散区利用Metall相连，并在Metall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

13、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/电磁十扰特性，从而降低设计本钱，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莫块： 在DESIGNERTM

14、结合二维幅员，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莫块：针对客户所关心的问题，分析人员可以调用ANALYZERTM里专门针对MEM器件分析开发的多个求解器，对MEM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块：利用INTEGRATORTM计人员可以从三维分析结果提取MEM器件宏模型

15、，反应回ARCHITECTTM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INTEGRATOR自己MEM笋品涉及到的宏模型库，为 新产品的开发提供技术储藏。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、频率选择外表(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

16、器、介质滤波器(2)EMC ( Electromagnetic Compatibility) /EMI(Electromagnetic 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：AnsoftHFSS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( Propertieswindow)、 进度窗

17、口(Progress window )、信 息管理(Message Manage)窗口和3D模型窗口( 3D Modeler Window )。菜早往睛t lifl作7呻TH嗯1HII.IJH即.少置-二_catQ节峭。此%竺*%eanav- A* 小!5!% r，EH AT具榜F.逮zi.口* a k r.E . f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工程管理(Project Manage :窗口显示所以翻开的HFSST程的详细信

18、息，包括边界、鼓励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射状态栏(Status bar ):位丁HFS研面底部，显示当前执行命令的信息。届性窗口(Properties window):显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选 条目的特性或届性。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):是创立几何模型的区域，包括模型视图区 域和历史树(记AJMDFI皿非-lno, I5_lfUli LE LU-

19、EETC录创立模型的过程)。我的看法：本次课我们介绍了Ansoft公司的HFSS高频仿真软件的 根本特性和根本操作，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，学习它最好的方法 就是经常使用它，由于课堂上的时间十分有限，这里介绍的 都是根本的操作，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CoventorWare 3.1 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件上开展起来的，目前业界公认的功能最强、 规模最大的MEM

20、安用软件。拥有几十个专业模块，功能包含MEM策统/器件级 的设计与仿真，工艺仿真/仿效。其主要用于四大领域：Sensors/Actuators, RF MEMS, Microfluidics, OpticalMEMS。具有系统级、器件级的功能的MEM安用软件，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、MEM疑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

21、主要包括四个模块：ARCHITECT , DESIGNER ,ANALYZER , INTEGRATORARCHITEC模块：提供了独有的PEM机电、OPTICAL能学、FLUIDIC流体库元件，可快速描述出MEM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， 从而生成器件的幅员和工艺文件。DESIGNER块：可进行幅员设计、生成器件三维模型、划分网络单元。ANALYZE模块： 可采用FEM有限元法、BEM边界元法、BPM此速传播 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

22、、微流体分析、光学分析及多物理场的全耦合分析等。INTEGRATOR块：最后从三维分析结果中提取MEMSI件的宏模型，反应回ARCHITECT行系统或器件性能的验证，完成整个设计。3.4 CoventorWare的根本内容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个主要局部组成。其中包括Architect, Designer, Analyzer和Integrator。该工具套件的完整性和模块问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问手工传递数据的负 担。Integrate r表观模型授职器_ -

23、 图 12 CoventorWare工作流程图ARCHITECT3D设讶遂代共享的饷工！芸数据材料届由&辑粤 工 sgffiaArchitect白以数据隹结果分析器场呼.Abfliyzer魂整器版囹输出数据椅出I fr* WdTjii直器MEM 5 瞄鹿,一-原霆囹蝎辑 M 3D筱处理器-分析器快速组装来自独特和全面的MEMS积木库中的MEMS器件，并在一个基丁原理 图的系统级建模环境中仿真其与周边电子局部的行为。DESIGNER定义制造工艺，在MEMS幅员编辑器中绘制幅员布局，并自动生成可视化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

24、、理解和验证任何基丁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分析的根本步骤CoventorWare分析的根本步骤包括：定义材料届性；生成工艺流程； 生成二维幅员；通过二维幅员生成三维模型；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)作为牺牲层(用丁沉积

25、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(anchor刑悬臂梁(beam局部，刻蚀其余的铝层；(6)释放 BPSG牺牲层。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WorkDirectory、Scratch Directory、Shared Directory。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的目录， 在启动时是无 法新建工作目录的)。许可文件的位

26、置，包括Coventor License CFD license、Saber license,在安装时就已设定，默认即可。(2)单击OK后，系统进入Projects Dialog Window(工程对话窗口),新建工程 名称为BeamDesign的文件火，单击Open进入Function Manager勘能管理器) 界面。(3)进入DESIGNER模块，在Materials中定义材料届性，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)进入Process Editor艺编辑器)，新建一个工艺文件

27、c,根据上述 工艺过程在工艺编辑器中设计整个流程， 如图4-13所示。设计完后，单击Close,就可进行幅员设计。9(1)进入Layout Editor(幅员编辑器)，新建beam.cat文件，根据预先设计的形状设计整个模型的二维幅员，如图4-14所示。设计完后，单击Close即可。 1a a 习1 hill LI I *藏1 /IFI|伊口undtesmbrajrd 1 43463-02-1(a)电荷密度(b)电容值图 4-16电荷密度及电容值SfMXlATl U, -1J8BW -1)1 -TJEffi -JBEOEMsetStre&G OOEKJO 93E*00 WOEOI 2O

28、E71 39EKJ1图 1 (a)Z向最大位移为 0.16 p m 图 2 (b)悬臂梁所受最大等效应力值为 39MPa拟的。ANSYS有限元软件是融结构、热、流体、电磁、声学丁一体的大型通用有 限元分析软件，可广泛用丁核工业、机械制造、电子、土木工程、国防军工、日 用家电等一般工业及科学研究领域。ANSYS是国际公认的适用丁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

29、分析等。(3)高度非线性结构动力分析包括接触分析，金届成形分析，整车碰撞分析， 焊接模拟分析，多动力学分析等。(4)流体动力学分析包括层流分析，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，声波在固体介质中的传播 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 析，流体流动-热分析，电-磁-热-流体-应力分析等。(8)其他如设计灵敏度及优化分析，子模型及子结构分析等。4.3软件的模块组成及其主要用途前处理模块 ：实体建模，网格划分，加载。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块：分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性 分析和高度非线性