《微装配与MEMS仿真导论》课件第9章

第九章MEMSCAD比较91MEMSCAD的研究概况

92MEMSCAD的关键技术

93现今MEMSCAD的不足及困难

94MEMSCAD实现方案

MEMSCAD即MEMSComputerAidedDesign(MEMS计算机辅助设计)，是MEMS设计技术的一个重要分支。随着MEMS技术的快速发展，在MEMS领域实现电子设计自动化(EDA)的需求变得越来越迫切。

MEMS技术涉及力学、流体力学、热学、电学和电磁学等多个学科。MEMS器件作为一种新兴器件，其设计已不再是传统意义上的设计，而是包含了新工作原理的研究和新器件结构的开发。MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析，这大大增加了设计参数选择的难度，常规分析计算已无法应付设计需求。9.1MEMSCAD的研究概况幸运的是当今计算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中得到了广泛的应用，2D和3D计算机绘图技术的发展使我们能够对复杂的MEMS结构及版图进行设计，有限元技术的应用使得我们可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能，对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能。从而使我们能够对MEMS器件结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。国外在20世纪90年代初就研究出了用于硅压力传感器设计的MEMSCAD软件(CAEMEMS)。在MEMS的工艺模拟、器件的建模、分析模拟以及设计优化方面，20世纪90年代中期，IntelliSense公司和MicrocosmTechnologies公司已开始提供商业专业软件IntelliSuite和MEMCAD，可用于三维MEMS的工艺和器件模拟及设计优化。其中，Microcosm开发的MEMS计算机辅助设计分析集成工具MEMCAD现已发展到4.5版本。Illinois大学开发的ACES软件可用于硅湿法腐蚀、砷化镓湿法腐蚀和RIE腐蚀工艺的模拟，应用ACES可根据设计的版图和刻蚀条件得出腐蚀后的三维MEMS结构，ACESbeta1和ACESbeta2还作为免费软件可在互联网上下载。除了专业软件外，许多有限元分析软件已用于MEMS器件的建模、分析和模拟，其中ANSYS作为大型有限元分析软件在MEMS器件的设计和模拟方面的成功应用，已得到MEMS设计者的青睐。ANSYS软件包包含了力、热、声、流体、电、电磁等分析模块，其耦合场分析部分还包含了MEMS器件常用的压电分析，其流体分析模拟模块ANSYS/FLOTRAN已成为国际默认的MEMS流体模拟分析标准软件。

鉴于MEMS计算机设计和模拟技术的应用需求，许多通用软件也已应用于MEMS设计和模拟，如AutoCAD用于MEMS结构设计和建模，TannerToolSPro为MEMS提供版图设计，MATLAB用于模拟数据的后处理和图形化，Cadence用于接口电路的设计模拟等。一些软件还为MEMS应用进行了改进，最近Analogy和MicrocosmTechnologies宣布共同开发出AutoMM/Saber软件，该软件将为MEMS计算机模拟提供从EDA(ElectronicDesignAutomation)到MDA(MechanicalDesignAutomation)的桥梁。Microcosm的3DMEMCAD和Analogy的MASTHDL(HardwareDescriptionLanguage)结合而成的Saber软件已经为AnalogDevices的ADXL系列汽车气囊加速度传感器提供了成功的模拟。MEMS软件工具较为完善，由于计算机模拟和设计优化能够大大缩短新型MEMS器件的研制周期，有效地减少研制成本和提高器件的性能，因此在MEMS器件的研制中，目前已被广泛采用。

国外在开展微机电系统研究的初期就非常重视对CAD系统的研究。从20世纪80年代开始，已开发出一些较为完整的CAD系统，这些系统对促进MEMS的研究进展，使之从实验室走向工业化起了很大的作用。除上面已经提到的软件之外，比较有代表性的还有：美国麻省理工学院(MIT)和微观世界公司(Microcosm)开发的MEMSCAD；

Michigan大学开发的CAE(ComputerAidedEngineer)MEMS；智能传感器公司(IntelliSense)开发的IntelliCAD；瑞士联邦技术研究所开发的SOLIDIS；美国Coventor公司开发的CoventorWare等系统。

微机电系统的研究人员在进行系统设计时，希望在试制之前，能够在计算机上首先进行虚拟样机的结构设计，能对MEMS的各种参数进行优化，对其性能进行分析和计算，在设计阶段就能够对各种设计方案进行分析、比较和验证。这样可以提高设计质量，降低成本，缩短研制周期。因此CAD技术已成为MEMS研制过程中一个不可缺少的手段。9.1.1MEMSCAD的特点及其设计原则

1.MEMSCAD的特点

由于微机电系统结构和制造工艺的特点，微机电系统CAD具有以下与传统CAD不同的特点：

1)工作机理和材料性质的变化

结构尺寸的缩小使力的作用效应和材料的性质都发生了变化。一些在传统机械中很少考虑的力随着结构尺寸的缩小，其作用与影响明显增强，如静电力、表面张力等。同时，由于微机械加工工艺的限制，使微机电系统中机械结构的工作机理与传统机械有很大的不同。另外，由于尺度的缩小，材料的晶体缺陷减少，材料的强度增加，并且表现出一些在常规尺度下不显著的性质和特征。这些材料性质的变化，也会对微机电系统设计产生一定的影响。

2)加工方法的变化

目前在微机电系统的加工中，更多的是使用诸如光刻腐蚀、RIE、ICP等微电子加工技术，此外，电解、激光加工等技术也被较多采用。在尺寸相对较大的MEMS部件中，也可能使用精密机械加工方法。但微机电系统中有关微机械的加工，已从微电子的二维平面加工发展为三维立体机械结构的加工，在设计中也更加注重所设计和制造对象的机械特性与功能。这些都使得微机电系统中有关微机械的加工工艺与微电子的加工工艺有很大的不同。

3)与微电子系统耦合紧密

由于微机电系统的发展方向是将微传感器、微执行器以及信号处理与控制电路集成在一起，构成一个完整而复杂的机电系统，这对于提高微机电系统的集成度和可靠性，增加功能，降低成本是非常重要的。同时，为了解决检测问题，许多微机电系统设计有自检测线路。因此，在微机电系统中电子线路与机械部分的耦合是非常紧密的，这也必然要求其CAD系统提供相应的支持。除了与微电子系统紧密耦合外，由于微机电系统应用的多样化，在其工作原理上必然要涉及到微流体学、微热力学、化学、生物学等学科，这些学科之间的耦合问题也需要得到CAD的支持。综上所述，由于微机电系统涉及到机械和微电子等多个领域，因此，微机电系统CAD既不是传统的机械CAD，也不是传统的微电子CAD。同时，微机电系统也不是两者之间简单的相加，而是两者之间有机的结合与扩展，还要考虑与其他能量域的耦合问题。

2.MEMSCAD的设计原则

由于微机电系统与传统的机械和微电子系统在设计、加工上存在很大的差别，因此，微机电系统CAD的研究必须与此相适应，要遵循以下的一些原则：

(1)微机电系统技术涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、电磁静力学、微热力学、材料学、物理学、化学、生物学等学科，这些学科相互作用，共同构成了完整的系统，实现微机电系统确定的功能。多能量域的耦合问题是微机电系统CAD最迫切也是最难以解决的问题。

(2)由于微机电系统的制造目的是得到三维的几何结构，因此，微机电系统CAD要能够提供自动生成三维模型的工具，要有结构仿真器。

(3)微机电系统的加工制造过程不仅会改变结构的几何参数，还会改变材料的性质，这将会影响结构的电子和机械特性。因此，微机电系统CAD必须建立相应的材料特性数据库，并且可以根据工艺流程自动地将材料特性插入三维几何模型中。

(4)微机电系统的器件在几何上是复杂的三维结构，在物理上各种能量域相互耦合。计算中不仅要进行内部的量化分析，还要进行结构外部各种场(如电场、流场等)的分析。这些分析计算量大，耗时长，而且要求有较大的内存，因此，微机电系统CAD要以快速有效的算法作为基础。9.1.2MEMSCAD系统的结构

MEMS器件涉及多个能量域，设计过程也比较复杂，一般可以分为自顶向下(Top-Down)和自底向上(Bottom-Up)两种方式，目前研究比较多的是前者。图9.1给出了其一般设计流程。

设计者根据具体功能需求设计出产品概念模型后，即可进行初步的系统方案设计；然后根据系统方案设计结果，先进行功能仿真，在仿真结果满足要求的情况下进行器件的设计、仿真和优化；在器件设计完成后进行系统集成，再提取功能模型进行仿真，如果仿真结果符合要求则产品设计结束，可进行生产，否则还要修改系统设计。由此过程可以看出，MEMS的设计过程中模型的建立和仿真是非常重要的部分。根据处理对象的不同可大致将MEMS建模过程分为4个层次，如图9.2所示。

图9.1MEMS系统自顶向下设计流程

图9.2MEMS建模层次

(1)工艺层处于最底层，用于提供加工工艺过程的参数库，如光刻工艺中的掩膜厚度、曝光时间、硅腐蚀过程中的腐蚀速度等。

(2)物理层处于建模层次的第二层，包含一些典型材料参数库、典型MEMS器件结构库，可以对器件的静态和动态性能进行仿真。

(3)器件层用于建立器件的宏模型(Macromodel)，为了保证计算速度，此模型进行了一定的简化，但是保留了器件的所有必须的静态、动态性能，易于集成到系统模型中。

(4)系统层将器件层获得的宏模型集成到系统模型中进行仿真，根据仿真结果进行系统优化。

根据MEMS器件的设计流程和建模层次的需求，在总结现有商用软件功能的基础上，提出了一般MEMSCAD系统的结构，如图9.3所示。

图9.3一般MEMSCAD系统结构

1)数据库层

数据库层为设计和仿真工作提供基础支持，是整个系统非常重要的一部分。数据库中主要包含以下一些子库：常用材料参数库，典型MEMS结构、器件库，常用MEMS加工工艺参数库等。

目前，许多MEMSCAD商用软件中都有这些库文件作为底层支持，如Coventor公司的软件产品CoventorWare分为4个模块，其中的ARCHITECT模块中就有一个参数化MEMS部件库，包括机电、流体、光学和射频等器件结构；DESIGNER模块中有一个材料参数库，保存了加工过程中所需要材料的性能参数。其他如MEMSCAP、IntelliSuite等都包含一些相应的数据库。由于MEMS材料、器件的不断增加，加工工艺的不断改进，这些底层数据库都可以动态扩充，以满足用户向数据库添加内容的要求。

2)逻辑设计工具

逻辑设计工具提供对器件或单元逻辑图的设计支持，逻辑图中各模块间传递的信号既有电信号(如电压、电流等)，又有机械信号(如力、位移等)，这就要求逻辑设计工具要同时支持两种接口的定义和实现。

3)逻辑仿真工具

逻辑仿真工具主要完成如下工作：根据MEMS器件逻辑设计的结果，对其功能进行仿真，并检测各接口信号是否和设计一致。

4)版图设计工具

版图是器件加工以及后续功能验证的基础，器件逻辑仿真结果无误后，就要进行版图设计。设计者利用版图设计工具不仅可以进行器件版图的布局，还可以进行布局图的导入、导出。由于器件中有机械结构，版图设计工具还应支持机械结构的布局设计。

5)版图仿真工具

实用MEMS器件的版图中同时包含电路结构和机械结构，布局比较复杂，为了保证其功能的正确性，在版图设计完成后，由版图仿真工具对版图进行功能模型的提取，并根据提取模型对器件特性进行仿真验证。

6)三维模型建模工具

建立器件三维模型的过程既可由设计者通过建模工具交互完成器件三维模型的设计，也可根据二维版图和器件加工工艺文件，利用数据库中存在的工艺过程参数，由三维建模工具自动生成器件的三维模型。

7)器件性能仿真工具

器件性能仿真是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤，器件设计过程中仿真优化工作做得越好，加工出的样件出错的可能性就越小。器件性能仿真工具接收三维建模工具中生成的器件三维模型，在对模型进行网格划分后，利用有限元、边界元以及有限差分等方法分析器件的静态和动态性能。

8)宏模型建模工具

MEMS器件设计完成后，还要集成到系统中进行系统级仿真，这就需要对模型进行一定的简化，建立器件的宏模型。宏模型的建立依赖于器件的几何结构和组成，不仅要保留器件所有必要的准静态和动态特性，而且要易于集成到系统模型中。

9)系统级仿真工具

利用系统级仿真工具，设计者可将各器件的宏模型进行组合，对整个系统的功能进行仿真验证。

微机电系统CAD应为MEMS的设计、分析和模拟等提供一个完整的环境。图9.4是一个典型的微机电系统CAD体系结构。

图9.4微机电系统CAD的体系结构简单地说，用CAD进行微机电系统的设计、分析和模拟的过程如下：

首先，通过掩膜版图设计及工艺设计，由结构仿真器生成三维几何模型；

其次，从材料数据库中提取元件的材料特性，将其插入几何模型中，生成完整的几何模型，进行器件级的模拟及多耦合场分析；

最后，根据器件级模拟结果建立宏模型，进行系统级仿真。

在上述MEMSCAD系统的各个模块中，有一部分已经非常成熟。然而，由于MEMS的复杂性，针对MEMSCAD系统还有一些关键的、尚未完全解决的问题，主要有：快速有效的数值计算方法、多能量域耦合仿真、非线性宏模型的建模方法、自动化器件版图综合、加工工艺的生成和优化及多领域专家协同设计等。9.2MEMSCAD的关键技术9.2.1数值计算方法研究和多能量域耦合仿真

1.数值计算方法研究

与传统大尺寸机电产品相比，MEMS产品对数值分析的依赖性更强，一方面，其三维内部结构需要像传统机电产品那样采用有限元等方法进行分析；另一方面，由于MEMS器件尺寸很小，其性能更容易受外部因素的影响，特别是一些表面力，如空气压力、流体摩擦力等，求解这些外部力时所建立的方程很多情况下无法求得其精确解，也需要采用数值方法来计算，如有限差分法、有限元法、边界元法、有限体积法、谱方法等。有限差分法是一种比较传统的解微分方程的数值方法，其基本思想是将微分方程中的微分算子直接以差分替代，构成一组包含有限个未知数的联立方程组，进而求方程组的解。这种方法主要的数学分析工具就是泰勒定理，目前其主要相关基础问题的数学分析及算法研究已经相当成熟。有限差分法的缺点在于当微分方程的定义域不是规则形状或者其正确解不具较高平滑性时，数学分析和算法就会比较复杂。有限元法是从等价区域上的变分形式出发，近似地求解微分方程边值问题的一类非常重要的数值方法。进行有限元分析的过程可以大致分为如下4个步骤：划分单元格，即根据具体的分析要求将整体结构划分成有限个单元，单元可能是一维、二维或者三维等类型；单元分析，即选择单元的位移方式并分析单元力学特性，建立单元上节点力和节点位移间的关系，得到单元的刚度方程；整体分析，即集合所有单元的刚度方程构建方程组；解方程组。针对有限元法本身以及如何将有限元法更广泛地应用到MEMS器件模拟过程中的研究已成为一个热点问题，近年来国内外在这方面已开展了很多研究，并且取得了不少成果，如模型单元格的划分方法、有限元分析在MEMS器件封装可靠性分析中的应用等。

边界元法将微分方程转换成边界积分方程，然后进行离散求解。由于离散后的方程组只含有边界上的未知数，从而降低了问题的维数，因此，在求解非时变的外部力时，边界元法在很多情况下比其他数值方法更有效。将边界元法与错误预测和自动网格细分方法结合起来，可以有效解决复杂结构计算速度和精度问题。

2.多能量域耦合仿真

在处理多能量域耦合问题时常用的方法有两种：一种是在各能量域分别建立方程组，然后交叉迭代求解。

目前各种数值计算方法在不同领域应用的效果有很大不同，如有限元分析擅长解决固体、结构方面的问题，有限差分法在流体力学中应用较多，而静电场中使用边界元方法比较有效。为了发挥各种方法的特长，可以在各个能量域使用不同的方法建立相应的方程组：

Ri(x1，x2，…，xi，…，xm)

(i＝1，2，…，m) (9-1)图9.5Gauss-Seidel松弛迭代法流程图

xj(i≠j)是除本能量域外其他能量域的未知数，在解方程组Ri时作为输入量。各能量域联立的方程组常用Gauss-Seidel松弛迭代法求解，其基本流程如图9.5所示。这种方法的优点在于针对不同能量域可以选择比较成熟的相关商用软件建立方程。但是这种方法的计算量可能会比较大；另外，当各能量域耦合比较紧密时，Gauss-Seidel方法可能不收敛。为了使计算过程能够收敛，可以采用完全牛顿法(FullNewtonmethod)或者多级牛顿法(MultilevelNewtonmethod)求解。另一种方法是直接建立耦合方程组，迭代求出最终解。当各能量域耦合非常紧密，在各能量域分别建立方程而耦合求解非常困难时，往往要采用这种方法。求解时一般采用基于能量的拉格朗日法建立各能量域耦合的方程(这些方程大多是非线性的)，然后利用Newton-Raphson法或者Riks-Crisfield方法迭代求解。9.2.2宏模型建模

宏模型是为了系统级模拟而建立的器件简化模型。为了保证系统模拟过程的速度和正确性，宏模型对器件模型的自由度进行了降阶，因此，又称为降阶模型(Reduced

OrderModel)。建立宏模型的方法主要有两种：一种是利用等效电路建模；另一种是利用硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguages，HDL)建模。

等效电路模型是一种常用的MEMS宏模型，其建模原则是：采用等效的电路结构和变量代替除电量外其他能量域的结构和变量，表9.1给出了不同电量和机械量各参数的对应关系。表9.1电量和机械量对应关系对于流体、热等物理场各参数，也有相应的电参数与其对应。将其他结构转换成电路结构后，所建立的宏模型可以使用常用的电路模拟软件(如SPICE等)进行模拟求解，因此比较方便。当器件是连续体时，如何将其划分成离散的单元以及如何确定各单元所对应等效电路器件的参数都是比较困难的问题。

硬件描述语言最初应用于电子领域，主要用来描述电子器件的逻辑。随着MEMS技术的发展，硬件描述语言在MEMS领域也得到了广泛应用，这其中比较常见的是VHDL-AMS语言。VHDL-AMS并不是一个正式的语言名，而是IEEE两个标准(VHDL1076-1993和VHDL1076.1-1999)的合称，可用于描述数字、模拟和混合信号。使用这种方法建模时，一般要首先建立系统的常微分方程，然后根据方程利用HDL描述系统特性，这样建立的模型可以直接应用于系统层的仿真，而且很多现有电子领域的仿真软件都能够支持HDL模型。

为了减少设计者的工作量，需要建立宏模型自动生成系统，将常用MEMS结构以及对应的电路模型存入数据库，建模时根据器件结构自动生成宏模型。目前一些研究人员已在这方面取得一定成果，但要实现复杂结构的自动建模还存在很多困难。9.2.3版图综合及加工工艺的生成和优化

1.版图综合

所谓版图综合，就是根据上一层的功能描述和附加的设计约束条件直接生成器件的版图。实现此功能需要建立常用模块的版图数据库、布局参数库等，进行版图综合时再根据功能描述从数据库中读取相应的版图布局数据。根据数据库内容的不同，产生的版图可能不只一个(当然也可能无法找到满足设计约束的版图)，这就需要有个优化选择的过程，一般版图综合的设计过程如图9.6所示。器件的功能描述、几何信息以及加工制造条件都作为版图综合的输入，最终的输出结果则是优化后的器件版图。目前，对于复杂的MEMS器件，其版图综合过程还需要较多人工交互，远没有达到完全自动化的目标。

图9.6版图综合流程

2.加工工艺的生成和优化

MEMS器件的设计和制造工艺联系非常紧密，对于设计者来说，仅仅根据自己的经验来确定器件的制造工艺是一件非常困难的事情。一方面，目前MEMS三维结构的微制造方法主要是基于硅微加工工艺的体硅腐蚀方法，比微电子表面工艺复杂，加工过程及结果受很多外界条件的影响；另一方面，有些三维结构采用硅腐蚀工艺无法完成，为了解决这一问题，很多研究人员在不断寻求加工MEMS三维结构的新工艺和新方法，并取得一些成果，使得微结构制造工艺的可选择性逐步扩大。

因此，需要一个功能强大的辅助工具，根据器件版图和要求的加工条件确定工艺流程，一些研究机构在这方面已经取得了一定的成果。

就目前的技术条件来说，完全自动地产生MEMS器件的制造工艺流程还比较困难，通常情况下，可以由设计者根据经验在软件工具的帮助下交互地产生一个或多个备选工艺，然后进行工艺过程的优化，其流程如图9.7所示。在工艺产生过程中，还有一个比较重要的问题就是加工过程仿真。加工仿真的精度很大程度上取决于所建立加工过程的数学模型，如硅微加工过程中的腐蚀速度，微细电火花加工的烧蚀速度、表面精度等。

图9.7工艺过程优化流程值得一提的是，近几年国内在MEMS工艺生成和优化方面的研究有了很大进展，北京大学微电子所开发出了具有自主知识产权的面向工艺的MEMSCAD系统IMEE，该系统突出了工艺设计和工艺规则检查，实现了工艺设计、工艺规则检查及其在线模拟。

3.多领域专家协同设计

和传统微电子或机械系统相比，MEMS设计需要的知识更多，包括电子、机械、流体、物理、化学、力学和材料等多个学科知识，而设计者很难精通上述所有领域，因此，实现多领域专家协同工作显得尤为重要。针对机械产品的协同设计工具研究已经取得了很大进展，如SolidWorks、Pro/ENGINEER中就包含了一些协同设计工具；清华大学开发了基于Web的网络化产品协同设计支持系统CodesignSpace，包含信息共享、浏览批注、冲突检测等多个工具。MEMS器件协同设计的问题正在引起一些研究人员的注意，并提出了以提高系统整体性能为目标的协同设计方法，但如何更有效地发挥各领域专家的特长以设计出更为实用的MEMS产品仍然是值得进一步研究的问题，如：冲突的发现和消解、不同设计阶段和设计工具所产生设计信息的集成和共享、各专家经验的共享等。

1.现今MEMSCAD的不足

随着MEMS技术应用领域的不断扩大，各种新结构、新原理的MEMS器件也不断出现。这一方面充实了MEMSCAD中各种可重用的IP库，但另一方面也对固有的MEMSCAD框架和设计流程形成了冲击。这种冲击主要体现在设计流程日趋多样化和设计工具日益庞大化两个方面。9.3现今MEMSCAD的不足及困难首先在设计流程上，无论是最初的自底向上(Bottom-Up)设计方法，还是现在主流的自顶向下(Top-Down)设计方法，都试图通过一种设计流程来统一所有MEMS器件的设计。这固然符合结构化设计的思想，即通过一种标准来规范MEMS设计，进而提高设计效率。但对于功能、原理、形式都各异的MEMS器件来说，这种强行的统一未必能取得预想中的效率提高。

对于陀螺，基于集总参数模型的系统级设计既可以快速得到一般设计所需的模态、拉入电压等设计指标，还可以与接口电路一起构成闭环系统进行系统行为仿真。因此，其设计流程可以是系统级→工艺级，无需进行基于有限元的器件级设计。但对于压力传感器而言，仅仅依靠基于集总参数模型的系统级设计就很难完成压力分布等所需的计算指标，此时就需要基于有限元的器件级设计，因此其设计流程可以为器件级→系统级→工艺级。

可见，MEMSCAD的设计流程应该提供足够的灵活性来满足MEMS器件多样化带来的个性化设计需求，这样相比于单一的设计流程反而能提高MEMS的设计效率。事实上，现有的MEMSCAD工具已经意识到这个问题，已在每个设计模块上都提供了设计入口，并开发了一些接口，以方便用户能从任一模块开始并完成设计。此外，现在MEMSCAD对不同领域原有设计工具的借鉴和集成也越来越多，使得MEMSCAD越来越庞大。目前，一些商用设计工具几乎集成了机械、电子、射频、生物、流体、纳米等各个领域内的工具。而实际上，很多用户群都有自己本领域内的一套相对熟悉的设计环境，随着MEMS应用领域的继续扩大，按照这种简单集成的技术路线将所有的工具都集成在一起显然并不现实。

通过以上两点分析可以看出：单一固化的设计流程不利于提高MEMS器件的设计效率；通过大量的集成第三方软件容易造成MEMSCAD的开发和使用不便。因此，需要在流程灵活性、软件集成方式上有所改进，才能开发出符合当前MEMS发展需要的工具系统。

2.MEMSCAD设计目前的困难及其意义

和成熟的ICCAD相比，MEMS的设计是非常复杂而艰难的，这主要是由于：

(1)MEMS涉及多种学科和多个能量域，因此要求具备的知识基础很宽；

(2)MEMS所涉及的微观领域，有许多规律与现象还不被人们完全了解和认识，即基础理论不充分；

(3)微机械种类很多，即使在同一类中，其结构、功能也千差万别，因此很难用统一的模式来规范其设计。

MEMSCAD技术的意义表现在：

(1)优化MEMS结构与性能；

(2)缩短MEMS设计周期；

(3)模拟制造过程，降低生产成本；

(4)帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为开发新的MEMS器件奠定基础。

如今大多数的MEMSCAD都采用了精确的数值求解器。这种精确的数值求解器不仅耗时而且占用大量资源，尤其是不适合于系统级的分析。在系统级设计中必须采用与电系统描述和分析相类似的技术与方法。

微系统是集成化和微型化的极微小器件，不但体积小、功能强，性能和可靠性高，而且功耗和价格都是很低的。具体来说，微系统包含以下几个方面的描述：

(1)一种集成微电子器件和微机械器件的系统；

(2)系统中的微机械器件与微电子器件在尺度上有相同的量级；

(3)微机械器件与微电子器件都是用微加工技术制造出来的；9.4MEMSCAD实现方案

(4)系统中微机械器件由微电子器件测量或控制。

MEMS的产品设计包括器件、集成电路、系统和封装等几个方面。对其开发过程的分析十分复杂，包括动力学、电子、微流体、光学、电磁场等的综合作用。与集成电路和一般机械一样，采用计算机辅助设计和虚拟现实模拟技术可以极大地提高MEMS器件的性能和可靠性，同时降低开发周期和成本，并有助于理解微小范围内的力、电、磁、热、机械甚至声等能量之间的相互作用，优化MEMS结构，并为开发新的MEMS器件奠定基础。但不同的是，计算机辅助设计和虚拟现实模拟都已有了很成功的商业软件，而MEMSCAD还处在初级发展之中。在电子产品设计方面，EDA(ElectronicDesignAutomation)软件工具既可以做IC设计，又可以做计算模拟，如著名的SPICE、SABER、Simulink等；在机械产品领域，MDA(MechanicalDesignAutomation)更是已经有了许多技术相当先进的计算机辅助设计、制造和分析等一体化的大型通用软件，如IDEAS、UGII、Pro/Engineer等。而微电子机械系统的性质和MEMS的设计、制造及使用特性决定了它需要一种联结并集成EDA与MDA这两个领域的设计工具。在某种程度上说，通过计算机的设计造型和包含多物理场耦合效应的计算分析，MEMS的计算机辅助设计和虚拟现实软件将成为沟通EDA与MDA之间的“桥梁”。

图9.8MEMS器件的设计流程

MEMS器件的设计涉及到许多方面的问题，相应地，其模拟过程也有不同的层次需求，如掩膜的设计模拟、加工工艺模拟、传感器与执行器的器件级模拟、多能域宏模型的系统级模拟以及包括封装在内的完整系统的模拟。这些模拟需要不同的技术来支持，而且复杂程度也大不相同。图9.9显示了这些模拟过程的层次。

图9.9MEMS器件的设计模拟层次

MEMS的计算机辅助设计系统应为MEMS的设计、分析和模拟等提供一个完整的综合软件环境。因为有微机械部件，需要提供三维实体造型工具；因为有微电子元件，需要有IC设计及仿真工具；因为涉及多物理场工作环境，需要有能够对力、热、电、流体等耦合作用的求解器；同时作为联系掩膜、工艺和三维模型的纽带，还需要有结构仿真器；而且由于MEMS是一个完整的系统，各种软件工具必须有稳定可靠的接口。如为了使一个电子工程师和一个机械工程师能够协同工作，从三维器件模型中应能抽取用于电子系统模拟(如SPICE)的数据模型。即使对微传感器或微执行器的简单器件级的设计与虚拟仿真软件，也不仅要有结构的几何轮廓参数，还要有所用材料相应变化的电子和机械参数，即需要建立典型结构的设计软件包和相应的所需材料的特性数据库，这意味着建立以不同结构为基础的模块化的软件及建立基于Web的数据库系统将可能是一个有效的选择方案，从而有利于改善性能并扩展应用范围。目前，从应用的角度来看，针对MEMS器件的设计模拟方法大致可分为以下四种类型：

(1)自主开发整个MEMS器件设计制造和分析全过程的模拟系统。

(2)在大型有限元软件的基础上增加有关微系统器件设计模拟的模块。

(3)针对特定微结构器件的数值模拟，不涉及更多耦合场或封装等内容。

(4)将类型(3)与虚拟现实环境相结合，得到一种虚拟设计和模拟的效果。9.4.1类型(1)

类型(1)是一种结合已有软件程序包进行微系统设计模拟的方法，典型代表是Microcosm公司经过十多年研制的MEMCAD。MEMCAD是微系统领域第一代商品化专用CAD软件的代表，至今已发展到4.8版。这是一个集成的模块化系统软件，能够针对微系统的某些功能模块、典型器件或加工工艺在器件级上进行计算机模拟设计，并可实现产品的最后封装设计和模拟。在MEMCAD中，既有可用于结构力学有限元分析的ABAQUS核心模块，

又有可用于静电场边界元结构的FASTCAP软件包源程序，以及可用于流体分析、热分析以及磁场分析等的各种成熟的软件模块。

MEMCAD可完成以下几个方面的设计模拟工作：

1)创建

MEMCAD的创建包括MEMS二维设计编辑器、MEMS材料特性库、MEMS工艺描述库、三维造型和网格工具等。

2)部件模型

部件模型包括微系统设计中热、电、力、流体、光等多物理场的耦合求解，部件分析模拟、参数化分析、三维可视化及结果查询等。

3)系统模型

系统模型结合自顶向下及自底向上两种MEMS设计方法，导入EDAPIC设计工具的接口、模拟信号、混合信号及MEMS元件的参数分析，具有MEMS元件模板库和机械与混合电子模型单元的MEMS系统模拟。

4)封装

MEMS封装包括三维封装模型及分析、三维器件封装的耦合设计和模拟、高频下封装的RLC提取和分析、SPICE模型抽取及单元库开发等。

MEMCAD提供了MEMS的设计与分析环境，包含了下列典型的功能模块：MemHenry支持完整三维耦合的MEMS电磁感应分析、RF分析等；MemPZR是基于三维理论模型的精确而灵活的压阻模拟工具；MemETherm根据焦耳热来分析MEMS器件的结构变形，通过以电压或电流作为边界条件，求解基于温度的变形；DropSim则是用于微流体方面的模块。

虽然MEMCAD提供了强大的微电子机械系统的设计与模拟功能，并成为MEMSCAD领域的领导者，但是撇开昂贵的价格不说，MEMS的CAD实际上还有许多关键性的技术问题没有解决，还不具备实用化的水平，目前基本上还只是应用在各研究机构中。这是因为在系统级，不仅仅因为它是微尺度范围的三维复杂结构，而且涉及到光学、热学、电子、机械、流体等多个学科领域，这些领域相互作用、相互影响，每个领域内的参数都需要进行精确的计算，并进行各能量领域的耦合分析计算，以便能正确模拟所设计的微系统器件的性能。而在微尺度范围内还存在许多与宏观条件下不同的现象或机理，这些机理至今还没有能够完全认识清楚，同时还必须考虑不同的材料特性导致的差异。因此，在现阶段更多的研究小组或单位都把精力主要放在开发MEMS微传感器或微执行器的器件级的设计与虚拟仿真上，仅针对两至三个能量域进行分析计算，而不是面向整个复杂的系统级的设计和模拟过程。9.4.2类型(2)

通过有限元分析(FEA)技术来解决微系统的应力、形变、温度分布、电磁场干扰及电学性能等诸多问题是最经常采用的研究方法。近几年功能比较强大的一些有限元软件，基本上都增加了有关微系统器件设计模拟的模块，其中比较有效的是美国ANSYS公司开发的ANSYS软件。

类型(2)取决于有限元软件提供的功能，而通用软件的特点决定了这种方法对特殊微结构器件的多能量域耦合是不一定适用的。9.4.3类型(3)

类型(3)是一种针对特定微结构器件的数值模拟，这种方法需要将微机械结构的几何参数及材料特性作为输入值，然后分别求解两种甚至更多种的能量域场问题，再把不同能量域耦合起来；一般是利用解析的方法分析计算其静态或动态特性，最后输出其工作过程的静P动力性能曲线，并与实验结果相比较。应用这种方法的文献非常多，如N.R.Aluru和J.White对MEMS设计中应用最广泛的静电力致动作用原理的微机械进行了力电耦合分析，强调耦合作用下的三维力电分析的实用性、有效性和强健性，并且分别具体讨论了静电场中的表面电荷分布密度与静电力的计算方法，由静电力引起的梁结构变形后的静弹性回复力的计算以及两种场能下的耦合计算过程，提出了求解能量场问题的松弛法与加速松弛法，并通过与基体平行并相连的二维梁的加压情况，给出了具体的计算步骤和不同算法的计算结果。图9.10是加电压后梁与基体表面电荷的分布及梁结构变形的示意图。

图9.10加电压后梁与基体表面电荷的分布及梁结构变形示意图很显然，该方法需要建立特定结构的数学模型，而且不同的微结构器件其数学模型也不相同。而对于很多微机械器件来说，建立能正确反映微尺度效应或表面效应的动态模型并不是一件很容易的事。虽然该方法只是适用于某一类型的结构器件，但具有相当大的实用性，可完成通用程序或大型有限元软件无法解决的特殊问题。9.4.4类型(4)

在虚拟现实环境中结合微系统的设计和模拟，可以更加直观地展现微机械器件的运行状态与性能。虚拟环境中三维器件的几何参数或其他参数可以任意调整，甚至可以通过特定的虚拟设备操纵或干涉其运行状态。这种方法的特点是既反映性能特性曲线，以利优化，又显示直观的运动过程，包括微机械结构部件变形过程，以利理解，并可以像操作真实物体那样在虚拟环境中控制器件的各种参数或各部件之间的相互关系，如部件装配等。中国科学院力学研究所开发的MEMS器件虚拟设计与模拟程序包括以下几个方面的系统或应用软件与编程工具：

(1)Win95/Win98/WinNT；

(2)3DCADsystem；

(3)WorldToolKitVirtualenvironment；

(4)Micro/Nanomaterialdatabase；

(5)VisualC＋＋；

(6)FEMtools。在所采用的构建软件系统中，WorldToolKit(WTK)处于虚拟设计的核心位置。事实上，WTK是用来虚拟创建高性能实时的、集成3D应用的跨平台软件开发系统，是美国EngineeringAnimationInc.的Sense8产品线中的主导软件，现已发展到9.0版。

WTK软件包是运行在Windows或Win95PNT平台上的