專利名稱：微電子機械系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級設計庫的建立方法
技術領域：
本發(fā)明是微電子機械系統(tǒng)自主設計摸快(MEMS IP核)以及單個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件模型的建立方法，屬于微電子機械系統(tǒng)設計自動化領域。
SoC設計技術的一個主要內容是IP核的設計和使用。在系統(tǒng)中的MEMS器件可以以IP核的形式或單個普通MEMS器件的形式出現(xiàn)。MEMS器件的工作原理包含了多種能量的耦合。例如，微傳感器是把非電信號(機械、熱、磁等)轉變?yōu)殡娦盘柕囊环N器件；而微執(zhí)行器則是把電能(或熱能等)轉變?yōu)闄C械動作的一種器件。由于多種能量耦合的作用，使得MEMS器件的工作原理很難用解析的公式表達，因此，MEMS器件的設計大多是采用偏微分(或常微分)方程表達，用數(shù)值的方法(有限元、邊界元或有限差分)分析器件的性能。目前已有一些軟件可以解決部分MEMS器件的設計，例如ANSYS、Coventor、Intellisuite等。MEMS器件的設計者常常是通過改變器件的幾何結構(或尺寸)和材料特性等，用數(shù)值分析得到所希望的器件性能。數(shù)值分析法有如下一些缺點(1)很難優(yōu)化器件性能；(2)計算時間較長；(3)對于強耦合情況，計算難于收斂。另一方面，MEMS器件最終要在系統(tǒng)中使用，對于系統(tǒng)用戶而言，系統(tǒng)的性能優(yōu)化是用戶更為關心的。在一個SoC中，包含了處理電路和多個MEMS器件，MEMS器件與器件之間、器件與電路之間會相互作用，系統(tǒng)性能優(yōu)化同時對MEMS器件和電路有一定要求(或約束)。因此，MEMS的系統(tǒng)級設計方法顯得必然而且是必須的。
MEMS發(fā)展初期，主要是MEMS器件設計，即設計者通過改變器件結構(或幾何尺寸)和材料特性(與工藝有關)，利用器件級仿真工具如ANSYS、MATLAB或自己編程以達到所希望的器件性能。隨著MEMS技術進步和系統(tǒng)的需求，用戶越來越關心系統(tǒng)的性能。由于在一個系統(tǒng)中往往包括處理電路和多個MEMS器件，因此，再用器件級的數(shù)值分析工具實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化已很困難。原因在于器件級數(shù)值分析需要較長時間，同時為達到優(yōu)化，要不斷地改變器件幾何尺寸；另一方面，還要處理MEMS器件與器件之間、MEMS器件與電路之間的相互作用。
目前商用軟件在系統(tǒng)級模擬與優(yōu)化方面距實用有較大的距離，同時留有用戶可以介入的界面以建立宏模型的仿真庫(IP)。
MEMS-IP核的類型、參數(shù)的編譯接口方法是對于MEMS-IP核，采用F-I類比或F-V類比的方式建立等效電路宏模型，采用軟件編程的方法將該宏模型編入程序，并設計完成用戶的參數(shù)輸入“與、或”選擇接口，具體的方法是(a)根據(jù)具體的IP核，通過力學理論、材料理論、電路理論推導或利用ANSYS軟件或自編的計算軟件，通過數(shù)值擬合的方式建立該IP核的宏模型。(b)編制一個MEMS IP核的設計編譯接口，對需要建立的IP核的宏模型進行基本描述，如小信號等效電路描述，在編譯接口的界面上設置該IP核的物理參數(shù)與工藝參數(shù)的對話窗口，(c)在具體調用該IP核時，通過編譯接口進行IP核指定以及具體物理參數(shù)和工藝參數(shù)的輸入，(d)編譯接口根據(jù)IP核的宏模型和輸入的物理參數(shù)和工藝參數(shù)自動地生成一個具體的電路模型，并且產生-段符合具體模擬器要求的網(wǎng)表描述或HDL描述文檔，(e)將此描述嵌入到其他的系統(tǒng)級描述文件中，實現(xiàn)含有MEMS IP核的系統(tǒng)級設計與分析。
MEMS IP核的參數(shù)-性能圖譜描述方法。根據(jù)MEMS-IP核的微機械結構，輸入不同的物理參數(shù)與工藝、結構參數(shù)，采用有限元(FE)方法，或利用商品化分析軟件，如ANSYS、COVENTOR等，分析計算MEMS-IP核的性能，獲得性能-參數(shù)的數(shù)據(jù)，以此輸入-輸出數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫的內容(稱為參數(shù)-性能圖譜)。其特征是預先建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)具體的設計目標，設計者可以通過該數(shù)據(jù)庫，輸入?yún)?shù)信息，查詢性能信息，也可以輸入性能要求獲得參數(shù)信息。
MEMS-IP核的類型、參數(shù)的編譯接口技術。是對于MEMS-IP核，采用F-I類比或F-V類比的方式建立等效電路宏模型，采用軟件編程的方法將該宏模型編入程序，并設計完成用戶的參數(shù)輸入與(或)選擇接口。在設計者使用該MEMS-IP核結構進行設計時，只要選定結構類型，輸入或選擇物理參數(shù)、工藝參數(shù)與結構參數(shù)，就可以立即得到該MEMS-IP的具體的等效電路的描述網(wǎng)表(netlist)。3、有益效果在系統(tǒng)集成中，MEMS IP核是重要的設計基礎部件之一。不同于IC的IP核，對同一個基本結構，MEMS IP核的性能隨著器件的工藝、結構參數(shù)的變化有較大的變化，因此必須對MEMS IP核的建立采用自動參數(shù)-性能的跟蹤技術。同時，因為MEMS IP核在大部分情況下與電路的IP核或其它部分集成使用，因此，它們必須具有相同的描述特征。本發(fā)明主要是解決MEMS IP核的自動參數(shù)-性能的跟蹤和設計描述的編譯，使得MEMS IP核的建立與調用、模擬過程簡化，提高MEMS IP核的利用效率。本發(fā)明的第一個方面是利用MEMS IP核的參數(shù)-性能圖譜進行IP核的參數(shù)-性能描述，對于基本的IP核結構，建立參數(shù)-性能圖譜數(shù)據(jù)庫，在連接該IP核時根據(jù)參數(shù)自動地跟蹤性能，反之，根據(jù)性能要求自動獲得MEMS IP核的結構參數(shù)與工藝參數(shù)，使之可以實現(xiàn)MEMS IP的綜合。本發(fā)明的第二個方面是通過MEMS IP的設計編譯接口實現(xiàn)對MEMS IP核的自動編譯，形成系統(tǒng)中可以調用的等效模型。
圖2是對

圖1這個梳狀諧振器的參數(shù)-性能圖譜的例子。
圖3是編譯接口的界面。
圖4是利用SPICE軟件對該諧振器模擬的例子分析結果示意圖。
雖然，隨著結構參數(shù)的變化，MEMS器件的性能要發(fā)生變化，但是，在相同的基本結構基礎上，這些變化是遵從一系列的規(guī)律的。對每一類結構建立起相關的基本模型、規(guī)律曲線或參數(shù)庫將是IP庫單元的建立和應用的重要基礎。
本發(fā)明是MEMS IP建庫方法，解決在IP核建立和調用時的參數(shù)-性能匹配。通過建立參數(shù)-性能圖譜(數(shù)據(jù)庫)，解決當MEMS IP的具體結構參數(shù)變化時，IP核的特性能夠自動適應這些變化。
IP庫的建立的難點在于MEMS結構與普通電子電路IP單元在不惟一性上有很大的區(qū)別。普通的電子電路IP單元的不惟一性發(fā)生在軟IP核(俗稱軟核)，它以一段HDL描述該IP核，在應用時通過綜合實現(xiàn)硬件結構。MEMS IP的不惟一性是由具體物理的、結構的參數(shù)決定，當材料的物理參數(shù)發(fā)生變化時，如應力變化、熱導變化、楊氏摸量變化等，都將引起MEMS器件的性能變化，當工藝參數(shù)中的材料厚度、幾何尺寸等發(fā)生變化時，也將引起器件性能的變化。針對這樣的實際情況，本發(fā)明包括了兩個主要方法。
方法一方法一是采取多維變化圖譜的方式解決不惟一性導致的IP的適應性問題和精確性的問題。所謂多維變化圖譜是這樣的曲線、曲面和(或)數(shù)據(jù)庫，利用每一個IP核的基本結構的惟一性，將圍繞該結構的各種主要的參數(shù)-性能關系制成一組數(shù)據(jù)，當基本物理參數(shù)或工藝參數(shù)發(fā)生變化時，通過該數(shù)據(jù)庫指向結構的性能。這樣的設計方法的優(yōu)點是在進行IP核的系統(tǒng)調用時不需要再對MEMS器件本身進行模擬，在系統(tǒng)中MEMS IP核就是一個兩端口或三端口網(wǎng)絡，端口的性能已在圖譜中加以定義。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的建立則是通過相關軟件模擬分析或工藝實驗實現(xiàn)，采用理論計算，分析軟件可以對每一個具體的結構進行計算，根據(jù)IP核的參數(shù)變化范圍進行圖譜的建立，并通過索引的方式進行數(shù)據(jù)管理和引用。
具體的方法是1.確定需要建立的MEMS IP核的基本結構并確定對IP核性能影響較大的主要物理參數(shù)變量和工藝參數(shù)變量。例如，對一個微機械梳狀諧振器，它的基本結構如圖1所示，對其性能影響較大的是該諧振器的質量m和材料的剛度系數(shù)k。對其它的微機械結構同樣具有各自的基本結構和影響性能的參數(shù)。
2.利用力學理論、材料理論計算以及計算機軟件分析計算軟件，如ANSYS，通過不斷地改變物理參數(shù)變量值和工藝參數(shù)變量值，分析計算IP核的性能跟隨變化情況，獲得IP核的性能-參數(shù)圖譜(數(shù)據(jù))。
例如，對上述的微機械梳狀諧振器不斷地改變質量取值和剛度系數(shù)k的取值，采用ANSYS軟件計算得到微機械梳狀諧振器的諧振頻率點的變化數(shù)值。
3.建立參數(shù)-性能的搜索索引。根據(jù)參數(shù)-性能的主要依附關系建立索引，例如，對微機械梳狀諧振器，建立固定剛度系數(shù)下質量-諧振頻率索引和固定質量下剛度系數(shù)-諧振頻率的索引。
4.建立IP核調用接口。該接口的主要描述是IP核的名稱，如微機械梳狀諧振器，參數(shù)定義，如質量，剛度系數(shù)等。
5.納入MEMS IP庫，在IP庫列表上添加該IP核名。
6.當進行單元調用時，根據(jù)要求調用的IP核以及具體的物理參數(shù)和工藝參數(shù)，通過搜索索引查獲該IP核的性能。例如，調用微機械梳狀諧振器，只要在庫單元列表中選定該單元，即出現(xiàn)一個描述界面，用戶只需輸入具體參數(shù)，如質量、剛度系數(shù)等，即可得到該器件的諧振頻率值。
7.如需要進行MEMS器件的綜合，則根據(jù)性能指標的要求以及一些參數(shù)指定(如果存在參數(shù)指定)，通過搜索索引反查，獲得具體的物理參數(shù)和工藝參數(shù)。
方法二方法二是利用一個編譯接口。通過一個編譯接口軟件，對每一個基本的IP核，根據(jù)設計中的所選參數(shù)現(xiàn)場生成一個具體的模型，并自動生成一段網(wǎng)表描述或其他的HDL描述文檔，和其它電路描述一起進行系統(tǒng)級模擬和設計。其主要的優(yōu)點是快速、靈活、物理概念清晰。適用于一些可以建立MEMS宏模型的IP核。
具體的方法是1.根據(jù)具體的IP核，通過力學理論、材料理論、電路理論推導或利用ANSYS軟件或自編的計算軟件，通過數(shù)值擬合的方式建立該IP核的宏模型。例如，微機械梳狀諧振器的小信號等效電路宏模型(這是較成熟技術)。
2.編制一個MEMS IP核的設計編譯接口，對需要建立的IP核的宏模型進行基本描述，如小信號等效電路描述，在編譯接口的界面上設置該IP核的物理參數(shù)與工藝參數(shù)的對話窗口。如對微機械梳狀諧振器描述的質量、剛度系數(shù)等。
3.在具體調用該IP核時，通過編譯接口進行IP核指定以及具體物理參數(shù)和工藝參數(shù)的輸入。
4.編譯接口根據(jù)IP核的宏模型和輸入的物理參數(shù)和工藝參數(shù)自動地生成一個具體的電路模型，并且產生一段符合具體模擬器要求的網(wǎng)表描述或HDL描述文檔。例如，對微機械梳狀諧振器，根據(jù)輸入的質量、剛度系數(shù)和等效電路的基本結構，計算具體的等效電路的電參量，并產生電路模擬軟件SPICE的標準輸入網(wǎng)表。
5.將此描述嵌入到其他的系統(tǒng)級描述文件中，實現(xiàn)含有MEMS IP核的系統(tǒng)級設計與分析。例如，將微機械梳狀諧振器的等效電路網(wǎng)表加入到一個包含放大器的網(wǎng)表只，采用SPICE進行模擬。
梳狀諧振器的參數(shù)-性能圖譜。
圖1是一個典型的MEMS器件結構，它的主要功能是對輸入的信號進行選擇，在輸出端得到與MEMS器件本身參數(shù)有關的諧振頻率。影響該諧振器諧振頻率的主要參數(shù)是質量m和剛度系數(shù)K。圖2是對圖1結構，以質量m和剛度系數(shù)K為自變量，以諧振頻率為性能指標的參數(shù)-性能圖譜的例子。從圖2可以看出只要確定了質量m和剛度系數(shù)K，這個諧振器的諧振頻率可以立刻得到。如果將質量用具體的幾何參數(shù)代入，剛度系數(shù)以具體的結構參數(shù)和幾何參數(shù)代入，就可以得到與底層參數(shù)相關的參數(shù)-性能圖譜。
梳狀諧振器的設計編譯接口。
同樣以梳妝諧振器為例，這里采用本發(fā)明要點2的方法建立其模型。
利用圖3所示的設計編譯接口，將具體的參數(shù)輸入，將產生與這些參數(shù)相關的梳狀諧振器的具體模型結構及其模型參數(shù)。利用該編譯接口軟件同時還可以得到一段相應的描述語句，進行計算機模擬分析。圖4是利用電路模擬軟件SPICE分析該諧振器得到的分析結果。
權利要求
1.一種微電子機械系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級設計庫的建立方法，其特征在于該方法為MEMS IP核的參數(shù)-性能圖譜描述方法或MEMS-IP核的類型、參數(shù)的編譯接口方法，MEMS IP核的參數(shù)-性能圖譜描述方法是根據(jù)MEMS-IP核的微機械結構，輸入與其對應的物理參數(shù)與工藝、結構參數(shù)，采用有限元方法，或利用商品化分析軟件，計算MEMS-IP核的性能，獲得性能-參數(shù)的數(shù)據(jù)，以此輸入-輸出數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫的內容即稱為參數(shù)-性能圖譜，具體方法為(a)確定需要建立的MEMS IP核的基本結構并確定對IP核性能影響較大的主要物理參數(shù)變量和工藝參數(shù)變量，如質量m和材料的剛度系數(shù)k，(b)利用力學理論、材料理論計算以及計算機，通過不斷地改變物理參數(shù)變量值和工藝參數(shù)變量值，分析計算IP核的性能跟隨變化情況，獲得IP核的性能-參數(shù)圖譜，(c)建立參數(shù)-性能的搜索索引，根據(jù)參數(shù)-性能的主要依附關系建立索引，(d)建立IP核調用接口，該接口的主要描述是IP核的名稱，如微機械梳狀諧振器，參數(shù)定義，如質量，剛度系數(shù)等，(e)納入MEMS IP庫，在IP庫列表上添加該IP核名。
2.據(jù)權利要求1所述的微電子機械系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級設計庫的建立方法，其特征在于該MEMS-IP核的類型、參數(shù)的編譯接口方法是對于MEMS-IP核，采用F-I類比或F-V類比的方式建立等效電路宏模型，采用軟件編程的方法將該宏模型編入程序，并設計完成用戶的參數(shù)輸入“與、或”選擇接口，具體的方法是(a)根據(jù)具體的IP核，通過力學理論、材料理論、電路理論推導或利用ANSYS軟件或自編的計算軟件，通過數(shù)值擬合的方式建立該IP核的宏模型。(b)編制一個MEMS IP核的設計編譯接口，對需要建立的IP核的宏模型進行基本描述，如小信號等效電路描述，在編譯接口的界面上設置該IP核的物理參數(shù)與工藝參數(shù)的對話窗口，(c)在具體調用該IP核時，通過編譯接口進行IP核指定以及具體物理參數(shù)和工藝參數(shù)的輸入，(d)編譯接口根據(jù)IP核的宏模型和輸入的物理參數(shù)和工藝參數(shù)自動地生成一個具體的電路模型，并且產生一段符合具體模擬器要求的網(wǎng)表描述或HDL描述文檔，(e)將此描述嵌入到其他的系統(tǒng)級描述文件中，實現(xiàn)含有MEMS IP核的系統(tǒng)級設計與分析。
全文摘要
微電子機械系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級設計庫的建立方法是微電子機械系統(tǒng)自主設計模塊(MEMS IP核)以及單個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件模型的建立方法，該方法為MEMSIP核的參數(shù)－性能圖譜描述方法或MEMS－IP核的類型、參數(shù)的編譯接口方法，MEMS IP核的參數(shù)－性能圖譜描述方法是根據(jù)MEMS－IP核的微機械結構，輸入與其對應的物理參數(shù)與工藝、結構參數(shù)，采用有限元方法，或利用商品化分析軟件，計算MEMS－IP核的性能，獲得性能－參數(shù)的數(shù)據(jù)，以此輸入－輸出數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫的內容即稱為參數(shù)－性能圖譜，MEMS－IP核的類型、參數(shù)的編譯接口方法是對于MEMS－IP核，采用F－I類比或F－V類比的方式建立等效電路宏模型，采用軟件編程的方法將該宏模型編入程序，并設計完成用戶的參數(shù)輸入“與、或”選擇接口。
文檔編號G06F19/00GK1453203SQ0313156
公開日2003年11月5日 申請日期2003年5月27日 優(yōu)先權日2003年5月27日
發(fā)明者李偉華, 聞飛納 申請人:東南大學