传统MEMS-IC 设计方法和验证的机构化方法介绍

　　伴随着传感技术在汽车和消费电子产品的迅速普及，微机电系统（MEMS）在最近几年已进入主流。为了控制及信号调理，基于MEMS 的传感器必然需要密切耦合的电子电路。电子电路要么独立于MEMS，要么和MEMS 在一个裸片中嵌入到模拟/混合信号集成电路中。MEMS 设计通常需要一个使用三维机械CAD 和有限元工具来进行功能验证的专家团队；而 IC 设计是通过EDA 工具，如Cadence Virtuoso 客户设计环境，来实现。传统上，MEMS 设计人员手工制作了Verilog-A 模型以便放入到IC 设计中去。这些手工制作的模型往往过于简单，而且非参数化。此外，创建这些模型相当费时，并需要专门知识。随着来自于消费电子行业的市场拉动朝着更多功能、更低成本和更快的推向市场时间迈进，传统设计方法的缺点日益明显。本文介绍了一种MEMS 器件设计，及在Cadence Virtuoso 设计环境与集成电子产品一起仿真的新方法。

　　介绍

　　微机电系统（MEMS）是微米级或纳米级器件，通常以类似集成电路（ICs）的方式加工出来，并受益于半导体制造的微型化、集成化和批量加工。不同于集成电路，其只包括电气元件，MEMS 器件结合了来自多个物理领域的技术，可能包含电子、机械、压电、磁和/或光学元件。一个MEMS 产品，即一种可以购买并在印刷电路板组装的部件，通常是由一个MEMS 传感或驱动元件（MEMS 器件）和相应的处理输入和输出信号的集成电路（ICs）组成。

　　MEMS 产品通常由至少两组专家参与设计：MEMS 设计师和IC 设计师。MEMS设计者通常是博士级的专家，他们使用自己的二维和三维机械CAD 工具设计输入，用有限元分析（FEA）工具做模拟。IC 设计师，独特的第二小组，依靠定制的IC 设计和仿真环境，如Cadence Virtuoso。他们在Virtuoso 示意图编辑器中创建电子产品的示意图，然后在Virtuoso Spectre或UltraSim 电路模拟器中模拟行为。

　　当然，鉴于MEMS 和IC 必须共同发挥作用，IC 设计师需要一个MEMS 的行为模型，并将其插入到他们的示意图设计中。在本文中，我们首先描述传统的方法，MEMS 设计人员为他们的IC 设计同行提供了一个MEMS 行为模型。然后，我们简要地介绍我们的MEMS-IC 协同设计新平台，MEMS+，并讨论此结构化方法比传统方法的优势。

　　传统MEMS-IC 设计方法

　　为了支持MEMS 器件及其IC 在Spectre 或UltraSim 模拟器中仿真，MEMS 设计人员通常用Verilog - A 硬件描述语言手工绘制MEMS 器件的行为模型。手工制作的模型可能是基于解析公式，或查表，或基于从有限元分析结果得到的模型降阶。这种传统方法有很多缺点。首先，费时，且需要专业知识。由于该方法是手工的，每次MEMS 设计更改，一些步骤就要随之重复。其次，手工制作的模型，简单来说，并不能完全捕获MEMS 器件的复杂行为。例如，相对与实际器件的六个自由度——3 个平移（x，y 和z）和3 个旋转，这些模型往往局限于一个机械自由度。比如，对于一个多轴加速度计模型，可能只有一个方向的运动被捕捉到，而与其他方向运动可能不利的耦合则被忽略。第三，手工模型不能就加工工艺或几何变量实现参数化。过度简化和缺乏参数化限制了IC 设计人员优化他们的设计。相反，模拟电路可能会设计保守，导致更高的能耗。此外，手工制作模型的局限性使得难以核实边角情况和调查加工的效应，他们都可能影响整个系统

　　的性能。理想情况下，MEMS 设计人员应该能够在三维实体设计环境中创建和修改MEMS 设计，然后自动生成所需的Virtuoso 仿真模型和版图。仿真模型应实现参数化，应准确获取MEMS 器件的复杂行为，同时又能够充分有效地允许MEMS 和IC 在合理的CPU 时间内协同仿真。

　　一种新的MEMS-IC 验证的机构化方法

　　在本文中，我们提出了一个基于单一MEMS 设计表示，做MEMS-IC 设计、仿真和产品开发的新的综合方法。这种新方法使MEMS 设计者工作在一种新型的被称为MEMS+的3D 环境中。MEMS+适应设计者的需求，容易导出参数化的且和IC设计人员需要的设计和模拟环境兼容的行为模型。同时，IC 设计师可以在一个示意图中添加MEMS 器件，正如添加其他任何模拟或数字元件一样。MEMS 行为模型的参数可能包括加工变量，诸如材料性能和尺寸的变化，以及设计的几何属性。据预计，这些模型的复杂性和准确性，使得无论是MEMS-IC 的性能还是产量的设计优化都可以实现。

　　总结

　　我们描述了一个新颖的MEMS 设计流程，流程的建立围绕着一个参考模型输入新的3D MEMS 设计平台，MEMS+。MEMS+与Cadence Virtuoso 配合使用提供了一个结构化MEMS-IC 设计流程样例，可帮助MEMS 设计和IC 设计的自动化连接。MEMS+还通过与MathWorks 的MATLAB Simulink集成，支持功能或算法级设计。MEMS 基础组件库已被证明适用于多种类型的MEMS 器件。例如，由Σ-Δ 调制器控制的加速度计的模拟已经展示在参考文献中。