Chapter 2-3 MEMS的CAD与仿真

遇见的问题 A
评价和决定 D
思想的水平 E 推断
结论 H
路 径 Q
探 索
假 定 的 公 式 化
现场观察
实 验 的 准 备
检 验
经验的水平
实验室观察
（a）
周期4 解答和 工作假设
周期1 定义问题 A 评价
决定 D 周期3 断定和 问题 公式化
E
周期5 解答的 活性化 H
结论
证实
B 周期2 确定情况
C
周期6 安排解答 的应用
2.MEMS制造工艺
•工艺可能改变材料机械/电性质 •与微电子联系紧密
3.多能量域耦合
•要求知识学科跨度大 •建模、分析难度大 •计算量大
2、MEMS建模
——目的：对实际工程状态的特性进行分析计算
建模要求
正确性 可视性 网格划分的适用性
建模过程
工程实际状态的模型化 物理模型的建立 数学模型的建立 仿真 验模
中间相遇方法的特点：每一个步骤的执行不是严格一 成不变的，而是取决于所取得的中间结果(有可能返回)， 所产生的数据通常要被所有过程所利用。由于设计和制 造与微系统的特性是相互紧密联系的，最后的设计结果 产生在掩模版图上，并以此对电子元器件、功能模块、 子系统进行改进。因此中间相遇方法使用相对要多一些。
执行器 作功
传感器 五官
计算机 头脑
执行器 手足
机械 结构
机械 骨骼
从机械电子学的概念和设计方法发展到MEMS的设 计，系统设计的基本思路是一致的.当前,有5种设计思 路。 J.Kawakita法，M.NaKayama法， Key-Needs法，Kepner-Tregoe法，Z.G..ZhuM..Kajitani 法。M..Kajitani法. 2.1.1．J.Kawakita法 J.Kawakita法简称K.J法.K.J法是由底向上处理大量数 据之间关系的一种假设。 K．J法思路步骤： （1）标签制作：（2）标签归类 （3）范围制作： （4）说明：
计算机控制与电子硬件运行依靠软接口实现，而 计算机控制与机械之间不能直接接口，而是通过传 感器的转换，才能用软接口连接。 2.2.3 微观与宏观接口设计 根据目前的技术，实现微观与宏观接口设计的传输 原理和相应的传输元件列于表2.2中。 微观与宏观接口设计中传输元件的设计是多样性的， 在设计过程中难免重复进行。对于这种接口设计必 须采用多次中间相遇的设计方法。 2.2.3.1信息与能量传输的接口设计 （1）电学的微观与宏观耦合设计
干扰
无用输出
结构功能 输入 能量 信息 输出
{
动力
物质
主功能 （ 变换传输储存）
控制 控制
{
物质 能量 信息
动力功能
动力
控制信息功能
动力输入 （ 能量）
控制输入
控制输出信息
人或其他系统
MEMS产品的各种功能模块具有类似于 人体各部分的功能，如图2.6所示
动力源 操作
动力源 内脏
传感器 检测
计算机 控制
两种分析方法
A. 微分方程组求解法 物理有效量多与时间和空间有关，因此求解较难 数学近似方法：将微分转换为差分等 B.有限元方法 将研究对象物理近似成模型 数学近似方法：离散化
3、ANSYS、NASTRAN程序简介
(1)ANSYS在MEMS设计中的应用 模块——结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等
四、MEMS的设计
MEMS的设计涉及到系统设计、微传感器设计、微 执行器设计、接口设计和能量供给的设计。工程设计 是解决人们在生产和生活中遇到需要解决的问题。产 品开发和工程设计一般能够被描述为以下三种解决问 题的过程。 （1）综合问题的解决：当设计目标集中解决设计问题 时，能够被描述为处理问题过程.其流程如图2.1所示：
1
2
m
2.2 接口设计 在MEMS产品中，接口设计是十分重要的，一般接口 分为硬接口和软接口，还应考虑微观与宏观接口设计。 2.2.1 硬接口 以硬件形式完成子系统，功能模块之间的物质，信息， 能量的输入与输出的变换，传输。按其作用可分为零接口， 主动接口，被动接口，智能接口。 2.2.2软接口 应用软件实现接口功能。
(3)产品开发集成：从市场需要出发到开发产品的活 动，设计与市场及制造相联系的产品，这时处理的结 果不是产品,而是商务.其流程如图2.3所示.
决定 基本要求 访问 使用者
市场调查
销售准备
销售
需
产品型号 的决定 生产原则 设计 产品 初步设计 修改制造 产品改进
求
工艺形式 的考虑 决定 产品型号 决定 生产原则 生产准备 生产
（1）需求与根源
基本原因 （内部的）
（2）需要的水准 （3）关键需要法 的思考—处理模式
原因 为什么？ 原因
理 论 性 考 虑
现象
识别 （外部的） 研究对象如何？ 我们应该做什么？ 发现问题
Fra Baidu bibliotek判断
解答
创 造 性 考 虑
2.1.3.2 关键需要法的技术步骤 2.1.4 Kepener—Tregoe法 Kepener—Tregoe法是确立问题，分析和做出判定的 4种技术结合。这种方法在制造业中，已被中级管理者 成功的应用，也是他们工作方法的提炼。 Kepener—Tregoe法的要点（1） ：确立问题的模式和 解决的方法（2）有意识地区别思考范围的不同，用分 析、评价、选择等方法，一步一步的接近结果。（3） 针对确定的对象，促进对象的评价和判定。 Kepener—Tregoe法中的4种技术方法：
另外 KJ法的派生有累积KJ法。累积KJ法是基于收 集信息系统化的一种方法，为解决实际问题存在一 种了解信息结构而客观的观点。根据一种“W形态问 题解决的模型”Kawakita建议从2个周期到6个周期 累积法使问题得到解决。如图2.8所示。 （a）基础概要：问题解答的步骤 （b）KJ法的6个周期
知识贮藏屋 路线P 路线R
（2）光学的微观和宏观接口设计 （3）机械的微观与宏观接口 （4）超声传输 2.2.3.2 物质传输 （1）流体的微观和宏观接口 从原理上讲，液体作为传输的物质，本身不能与 传输系统相互影响，若有化学反应吸收或释放时， 才与传输系统发生相互影响。 （2）流体微元件
2.3．微传感器布阵设计方法 2.3.1多元线性回归 当被测物理量与影响因素之间呈现线形关系，或者 可以转换成线形关系，则可应用多元线性回归理论分 析。其数学模型： =bo+b1x1+b2X2+……+bpxp （2—1） 式中： 可确定的物理量； Xi 第i次影响因素； Bi 未知参数。 假设n次随机样本为xi1，xi2，……xip，yi（i=1，2， ……n），根据最小二乘法，得到:
2.1系统设计方法
从功能观点分析，MEMS产品的实现系统的组成:
主功能模块：包含有对物质、能量和信息的变换、 传输、储存三种功能模块及动力功能模块，控制信息 模块，实施对系统功能的操作指挥，程序的编排等功 能，这是系统必不可少的重要功能。
此外还有结构功能模块含有系统内各组成部分必 须确定在要求的位置上实现功能，即在一个芯片上或 者几个芯片键合在一起，从结构角度形成一个整体。 结构功能对系统各功能操作实现有很大影响。系统各 功能模块的组成，如图
相反的结论 选择
估价相反的结论 生成 评价
可靠性/严重性
潜在的问题
状态作用/方案
目的/步骤
预期潜在问题
可能性/严重性
很可能 的原因
做最后的选择
预期很可能的原因
目标
状态决定 建立目标 分类目标
决定分析
作出 选择
识别事件 分离 安排优先 确定 方案变动
潜在问题 的分析
保护 作用
阻止可能有的 作用
选择阻止作用 选择可能有的作用 修改方案
非线性分析——考虑材料和几何、边界和单元的非线 性因素，当材料在达到初始屈服极限时，往往还有很 大潜力，采用非线性分析会得到有效的结果 热传导分析——计算出结构内的热分布状况 流体/固体耦合分析——解决流体和结构之间的互相作 用效应，NASTRAN拥有流/固体耦合法、非弹性流体单 元法、虚质量法等方法 空气动力弹性及颤振分析——气动、惯性及结构力间 的相互作用，NASTRAN可作静态和动态气弹响应分析、 颤振分析及气弹优化。
0 需求水平 的识别
1 需求水平 的调查
2 生产原则 的水平
3 生产设计 的水平
4 产品准备 的水平
5 执行 的水平
因此，产品设计是人们预想的实现,是新的观点的 产生。为满足人们的需要，在进行MEMS设计时，应该 考虑产品具有哪些功能,这些功能由什么方式实现。 首先要求对所设计的MEMS产品展开系统功能分析。确 定功能度，描述产品的功能，最后进行系统设计。目 前有三种设计方法可供选用: （1）从系统功能设计开始,展开到系统设计。 （2） 从系统设计展开到子系统,元器件设计 . （3）中间相遇方法(Meet-in-the-Middle), 以一个简单的微系统为例，图2.4所示是微系统设 计的过程框图。
（2）NASTRAN的模块介绍
静力分析——与时间无关（或可忽略）的静力载荷 （如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等） 下的响应，并得出所需节点位移、节点力、约束（反） 力、单元内力、单元应力和应变能等 动力学分析——瞬态响应、振动模态、 冲击谱、动力 灵敏度、声学分析等。阻尼类型、动力定义方式类型 决定其分析能力。 屈曲分析（稳定性分析）——确定结构失稳临界载荷
用公式表示 问题
定义准则
探究解答
评价 选择
实施
（2）产品综合：当设计产品集中于应用系统理论,以 及在设计工作中必须处理制造产品问题的过程,这种 起始点是明确所需要的功能和所处理的技术资料,产 品综合工作流程如图2.2所示.
总体形状 主功能 子功能 和手段 原理化 结构 量化结构 单元形状 材料 维度 表面质量
F
行动
G
（b）
图2.8
KJ法W型态问题解决流程图
2.1.2 M Nakayama法 M．Nakayama法简称NM法。NM法是在自然式日 常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用 到不同的问题型式中。NM法是根据人脑功能的一 种假设，在Nakayama的“人脑计算机模型（HBC）” 中描述。其思路框图如图2.9所示。 NM法的四种技术：（1）NM法的A型式和S型式， A型式（面积）：空间的联合， S型式（连续的）；时间的联合，当制作电影或卡通 片时，用来创造惊奇的战果。
机械电子工程学院研究生专业选修课程
MEMS & Microsystems—Design and Manufacture
微机电系统
三、 MEMS的CAD与仿真
1、MEMS的CAD
目的：设计阶段比较方案，检验掩模/工艺可行性
特点： 1.微小结构尺寸
•尺度效应对工作机理的影响 •晶体内部结构对材料性质的影响
位置评价
问题分析 真正的 原因
寻找 原因
问题 描述
状态偏离 规定
是/不是
试验可能原因 证明真正的 可能 原因
原因
研究可能 原因
2.1.5．朱钟淦—捤谷诚方法 该方法于1993发表在日本“Mechatronics：杂志上， 是针对机械电子产品系统设计时应用，包括4个步骤： 2.1.5.1产品功能分析； 2.1.5.2 实现模块功能，选择实施的方案 （1）为实现Fi模块的功能，确定在各个学科技术中可 提供的方案，若采用机械学的技术，可提供的实施方 M i …… 案有m个，记作， 。用矩阵记为 M i 。 Mi ， 同样地，若采用电子学的技术，可提供的实施方案有 P 个，用矩阵记作为{ {Mim } }。 2.1.5.3 多种方案的综合评价，优化设计 Ei p 2.1.5.4产品芯片设计
多物理场耦合问题
•直接耦合方法——受到耦合许可的限制 •序贯耦合方法——对一个物理场进行分析后，将结 果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程 度不高，序贯耦合分析是有效的
微细化处理问题 •网格直接局部细分法 •欠缺尺度效应的考虑
压电分析问题 •静态分析——求变形、电场、磁通密度及应力分布等 •模态分析——求固有频率和振型 •谐波响应分析——求对谐波载荷（电流、电压和力等） 的响应 •瞬态响应分析——求系统对任意随时间变化载荷（电 流、电压和力等）的响应。
信息
结
论
设计
语言系统
言语储藏
分析
动物系统
图像储藏
直观
印 激励 实
刷 体 响应
（2）NM法的T型式（用3种问题型式的求解，创造 许多类比。 （3）NM法的H型式， （4）NM法的D型式： 2.1.3 KEY-NEEDS法 KEY-NEEDS法，中文称为关键需要法。关键需要法 是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的工具。 2.1.3.1关键需要法的基础 关键需要法的概念及特性的评定，评价的方法有两 种：正评价方法，用第一次试验获得概念评价，反复 试验获得性能评价；性能负评价方法，对一种信誉低 劣的产品或者名称，进行评价。