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利用Tanner软件创建MEMS谐振器
2018-06-03 17:17:49   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

本文通过一个实例说明如何利用Tanner EDA工具创建MEMS谐振器。谐振器是一个包括电气和机械结构的多域系统。这就需要在原理图中调用电气元器件,并用电气等效行为来描述机械行为。

简介

物联网(IoT)应用依赖于与现实世界交互的智能器件。这些器件可能包含基于微机电系统(MEMS)的传感器,而这类传感器可将物理或化学作用转换为数据,然后收集数据进行分析。传感器设计的一个关键构件是谐振器。谐振器对于器件来说至为重要,其作用包括:时序参考、质量记录、运动检测、生物检测、信号滤波和能量采集。本文通过一个实例说明如何利用Tanner EDA工具创建MEMS谐振器,其流程如图1所示。

MEMS创建设计流程

图1:MEMS创建设计流程

创建原理图

谐振器是一个包括电气和机械结构的多域系统。这就需要在原理图中调用电气元器件,并用电气等效行为来描述机械行为。图2所示为利用S-Edit创建的版图的等效原理图。S-Edit含有一个完整的MEMS参数化参考库,其中包括各种符号和仿真模型。可从该库中快速选择创建谐振器所需的元件,然后将其实例调用到原理图中。

图2所示电路图的创建过程包括如下步骤:

1. 实例调用金属板、两个梳状驱动器和两个折叠弹簧。

2. 实例调用电压源和接地。

3. 将上述实例调用连接起来。

4. 根据需要改变属性(如实例名称等)。

谐振器电路图

图2:谐振器电路图

验证原理图

下一步是用T-Spice仿真原理图,然后用W-Edit波形查看器分析设计,从而确定该器件是否符合预期。在T-Spice中设置交流分析和频率规格。对于谐振器,可能需要从10kHz的起始频率扫描到100kHz的终止频率。然后在感兴趣的节点上设置波形探针。例如,通过探测右侧梳状驱动器节点,您可以监控频率。图3显示了此电路节点的振幅信息和相位角相对于频率的关系曲线。可以看到,谐振器的峰值振幅约为17kHz。

通过波形分析验证设计

图3:通过波形分析验证设计

创建版图

验证原理图之后,利用图4所示流程在L-Edit中创建谐振器版图。

谐振器版图布局流程

图4:谐振器版图布局流程

指定层信息

在L-Edit中,您可以使用MEMS库中的MEMS基本单元。利用这些基本单元,您可以生成MEMS器件的初始版图。

您可以控制所生成的各基本单元的层信息,以及指定两类基本MEMS元器件的层信息:

• 表面微加工。您可以指定结构层数并定义各层的参数。您还可以指定各层的设计规则,例如间距、围绕和最小线宽要求。为谐振器指定此类型。

• 流体通道。您可以指定结构层数,以及定义MEMS库中各流体基本单元对应的参数集。

层信息会自动应用于MEMS库中的各相关基本单元。

利用MEMS库生成基本单元

MEMS库包含40多种用于MEMS器件版图布局的参数化基本单元。基本单元随着工具的每次新版本发布而持续增加。MEMS库提供的基本单元按类别分组,如表1所示。

表1:可用基本单元

可用基本单元

要创建谐振器版图,只需利用Library Palette从MEMS库的谐振器元件中选择各基本单元,如图5所示。

利用Library Palette装配谐振器以获得版图

图5:利用Library Palette装配谐振器以获得版图

我们可以创建一个横向的梳状驱动谐振器(图6),其谐振频率对物理参数具有高灵敏度。

谐振器版图示例

图6:谐振器版图示例

如图7所示,通过生成基本单元来绘制版图。从Library Palette中选择基本单元,并利用L-Edit将其连接起来:

1. 生成一个金属板。

2. 生成一个梳状驱动器并复制一个。

3. 移动这两个梳状驱动器以将其连接到金属板。

4. 生成折叠弹簧,将其翻转并复制一个。

5. 移动这两个折叠弹簧并将其连接到金属板。

6. 生成接地板,将其连接到适当层的结构上。

7. 生成三个焊盘,将其连接到适当的层和元件上。

8. 对于每个生成的基本单元,按您的设计需求调整其参数(参见下一节)。

已完成的横向驱动谐振器

图7:已完成的横向驱动谐振器

更改参数

您可以更改任何已定义参数以影响MEMS结构的各元件。例如,图8显示了更改梳状驱动器“缝隙数”参数的影响。

仅调整一个参数快速改变梳状驱动器基本单元

图8:仅调整一个参数快速改变梳状驱动器基本单元

利用参数化基本单元,您可以迅速构建MEMS结构,可通过生成基本单元、复制粘贴、改变方向以及更改参数,从而制作每一个特定的基本单元。各基本单元包含一组默认参数值,您可以利用这些值来快速生成和布局基本单元,然后选择各基本单元并更改其参数。

分析设计

完成版图布局之后,您可以导入所选晶圆代工厂的工艺信息,并利用T-Spice执行统计分析:

• 针对工艺角进行仿真。

• 选择能使制造良率最大化的掩模/工艺设计,确定容差变化。

例如,您可以研究工艺变化对谐振器频率的影响。折叠弹簧挠曲的变化通过随机高斯分布表示。图9显示了此分析的结果示例:可以看到,制造工艺变化会导致谐振器的谐振频率也出现变化。

测量工艺变化的影响

图9:测量工艺变化的影响

结束流程

建构并分析MEMS器件之后,还有最后几步要完成,如图10所示。

完成MEMS设计的步骤

图10:完成MEMS设计的步骤

为了结束流程,需要准备版图与原理图比较(LVS)工具,然后运行这一工具:

• 建立连接关系。结束流程时,一个常被忽略的步骤是建立基本单元之间的连接,以便正确提取SPICE网表。对于每个利用Library Palette生成的基本单元,会自动创建正确的端口。L-Edit可以在两个或多个基本单元端口之间建立连接。在谐振器示例中,您应将金属板上的端口连接到梳状驱动器和折叠弹簧上的端口。

• 版图提取。利用L-Edit提取版图会产生一个由MEMS器件和连接信息构成的SPICE网表。采用此提取信息来比较版图和原理图。

• 原理图提取。对于LVS,利用S-Edit提取电路图网表。此网表包含器件描述、连接和几何参数。

• 执行LVS。利用LVS工具,您可以比较版图和原理图以确保二者描述的是同一器件。

三维分析和系统级仿真

利用已完成的版图数据,您可以自动生成器件的三维视图。与三维视图互动并添加技术信息,再将设计发送给第三方三维分析工具以检查多个域(例如机械、热和静电)之间的物理相互作用。然后,您可以提取MEMS器件的行为模型,以便基于三维分析数据进行系统级仿真。

结语

构建谐振器等基本MEMS器件并放入工具箱,以便提供可以装配到物联网系统中的各种元件。利用Tanner设计流程,您可以快速扩充该工具箱,踏上创建令人惊叹的互联网系统的坦途。

麦姆斯咨询和Mentor建立战略合作伙伴关系,麦姆斯咨询代理销售Tanner系列EDA软件,并开展专题研讨会及培训课程。

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