产品核心

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MEMS+

时间:2021-10-15

浏览量:2421

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MEMS+


MEMS+为工程师提供集成环境进行MEMS器件与系统及电路的协同设计。对于依赖静电学进行感应及驱动的MEMS器件,MEMS+是一个理想的设计优化工具,MEMS+也支持压电式传感器和执行器。

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OVERVIEW 


产品概述

MEMS+是为设计MEMS器件并将MEMS器件与CMOS电路和封装集成的工程师提供的软件平台。它非常适合设计和优化基于mems的组件,如运动传感器(加速度计和陀螺仪),麦克风,微镜,微开关,定时设备和能量收割机。

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MEMS+用户将先进的有限元或MEMS特定的基本构件组装成完整的设计。这些MEMS+设计提供的模拟结果比传统的有限元分析工具快100倍。仿真时间的大幅提高使得分析复杂的多物理行为和提高产品设计的性能和可靠性成为可能。MEMS+设计可以直接包含在MathWorks®系统模型和Cadence®电路设计中。


BENEFITS

核心优势

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CORE FRATURES

核心特点

Software Capability Highlights

参数化设计输入

为您最先进的MEMS产品提供直观和灵活的设计选项

MEMS+的设计入口从制造技术的参数定义开始,包括工艺堆栈和材料特性。MEMS设计本质上是依赖过程和三维的,MEMS+包括一个直观的,3D用户界面,使设计进入容易和快速。

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MEMS+设计开始于制造技术的参数化定义,包括沉淀工艺和材料属性。MEMS+也包括一个参数化的MEMS元件库:rigidshapes、flexible mechanical shapes、electrodes以及electrostatic combs等。其中rigid shapes 可以从GDS2 layout 导入。设计者首先选择元件库中的元件,然后在Innovator 3D 用户界面中组装MEMS器件。以上所有均可通过MATHLAB 或 Python编程实现。最终的参数化器件模型可快速自动进行设计研究。

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一个设计,多个模拟选项

每个MEMS+设计兼容多种仿真环境,包括内置的MEMS+模拟器,以及MATLAB®,Simulink®和Cadence Virtuoso®环境。


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MEMS+设计过程开始于为拟议的设计输入材料和工艺描述信息。输出数据可以直接输入MEMS+,或者使用GDS2格式文件导入MEMS+。集成电路布局图,包括自定义形状和几何图形,可以从许多第三方设计工具导入到MEMS+。利用布局数据以及材料和工艺描述,MEMS+可以生成MEMS器件的3D示意图。

关键特性

  • 3D设计入口与制造过程息息相关

  • 内置参数化材料数据库和工艺描述

  • 材料数据、过程文件和Innovator原理图存储在使用标准XML格式的单独文本文件中

  • 图形变量定义和曝光

  • 易于设置的机械边界条件和电子端口

  • 交互的和图形化设计入口

  • Python脚本界面允许脚本设计入口

  • 可导入GDSII或3D ACIS SAT文件到Innovator,与MEMS+模型进行比较

  • 标准输出滤波器包括GDSII布局和ACIS SAT 3D实体模型

进程感知

尽管MEMS和IC设计,分享制造相关的方面,但它们在制造对其设计流程的影响上是不同的。IC组件在制造过程中是标准化的,而MEMS组件则不是。例如,一个晶体管(集成电路组件)是在制造过程中由沉积在硅衬底上的特定层产生的,而这些层不能被集成电路设计者改变。但作为MEMS设计的一部分的机械悬吊梁可以放置在多个“机械”层中的任何一个,而这一层是一种设计选择。

此外,为了达到器件的设计目标,常常需要根据特定的MEMS器件定制制造工艺。因此,在MEMS设计中,制造工艺是一个重要的“自由参数”,它可以随着技术的发展而改变。MEMS设计需要灵活更改制造过程描述,但传统IC设计环境却不具备这种灵活性。

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MEMS+环境通过提供两个集成编辑器来指定所有特定于工艺的数据,从而满足了MEMS设计人员的特定需求:材料编辑器和工艺编辑器。

进程链接和库组件

MEMS+“Innovator”的参数化组件设计区域中的库组件与制造数据之间共同使用了一个公共层属性,使用此层属性,设计人员可以在组件结构和多个层名称之间建立关系。

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MEMS参数化设计的好处是什么?

在MEMS+“Innovator”选项卡中,设计师可以从MEMS组件库中选择参数化组件,将其包含在其设计中。这些参数化组件就像基于mems的“积木”。用户在Innovator中通过将参数化组件组合成更大的组件来组装设计。这有点类似于通过在布局中插入预定义的参数布局单元来创建IC布局。MEMS+和IC设计的主要区别在于MEMS+设计是在三维环境中完成的。对于习惯于在3D CAD环境中工作的MEMS设计师来说,这种3D设计更为自然。

与3D CAD环境不同,每个MEMS+组件都有一个复杂的行为模型。每个组件模型也可以通过向导自动连接。在仿真过程中,用户可以控制模型中暴露的参数和电气和机械“引脚”。用户还可以定义一个符号变量名称的层次结构,并使用这些名称来代替文字值,或将它们组合在代数表达式中,以定义任何材料属性,任何过程参数(例如层厚),或任何组件参数(例如悬挂的宽度),变量和代数方程的组合允许的属性与其他属性、环境变量(如温度和压力)或甚至基于抽象变量(如给定制造工艺的设备设置)相互依赖。这种灵活性使得开发高度复杂的行为模型成为可能,而无需定制MEMS模型开发的时间和费用。

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最重要的是,MEMS+模型完全是参数化的,这些先进的参数化设计功能,加上极快的模拟时间,提供了快速和准确探索广阔的设计空间的能力。由于过度的仿真时间要求,传统的有限元建模技术无法提供这种能力。

MEMS组件库

MEMS+是基于广泛的MEMS组件库(基本结构构建块)。每个组件都有一个3D视图和一个底层模型,捕捉机械、电气和气体阻尼的物理行为。类似于IC设计人员通过从SPICE模型库中选择和组装模型来构建电子电路的方式,MEMS设计人员从MEMS+库中选择组件并将它们组装到所需的器件设计中。

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MEMS设计人员生成包含在电路或系统模拟器中的MEMS模型,以支持MEMS设备的控制和读出电路的设计,创建这些类型的MEMS模型时,有三种选择:

  • 手工制作的分析模型,用SPICE或Verilog-A实现

  • 有限元分析中提取的降阶模型(宏观模型)

  • 由离散元素表示构建的模型(行为模型,例如在MEMS+中创建的模型)

MEMS+的设计开始于对制造技术的输入,包括工艺堆栈和材料特性。接下来,可以使用MEMS组件库生成MEMS行为模型。MEMS+包括参数化MEMS组件库,或者构建块,如刚性形状、柔性机械形状、电极和静电梳。在MEMS+中,模型由一个组件库组装,其中可以定义电气、机械、输入和输出端口。设计师使用直观的3D用户界面,将库中选定的组件组装到MEMS设备模型中。自定义刚性形状可以从GDS2布局导入。一切都可以用MATLAB®或Python编写脚本。装配的参数化MEMS器件模型使快速、自动化的设计研究成为可能。

在过去的15年里,Coventor为组件库中的每一项开发了支持多物理和多领域数学的理论背景。在多年的经验中,这些模型已经在许多不同类型的MEMS设备中得到验证。我们的内部开发团队根据最新的理论和客户的反馈,不断完善模型库。

MEMS+组装模型非常容易建立,高度精确,非常快和快速准备模拟。此外,它们可以很容易地维护、支持和修改,因为您的设计需要改变,并完全支持参数化设计研究。

关键特性

  • 线性和非线性模型

  • 无限层数

  • 任意横截面和侧壁角支撑

  • 降维模型能力

  • 基于最新一代有限壳单元的变阶柔性板

  • 平面内外接触模型

  • Etch-hole模型

  • 应力和应力梯度模型

  • 完整的静电模型

  • 所有静电型号的边缘场支持

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MEMS+组件库采用分层结构。刚性板包括参数几何原语,如矩形段,三角形段,直的和弯曲的梳子手指等,可以用来创建额外的任意结构。最后的刚性板是由各个节段布尔组合的结果。刚性板的行为模型基于牛顿定律和欧拉方程。

第二组机械元件,悬架,包括直梁,蛇形梁,梁路径,垂直梁和许多其他的参数原语。所有悬架模型都基于伯努利梁理论。

第三组机械元件是柔性板,包括圆形、弧形、矩形和四边形等基本形状,可以用来创建复杂的柔性结构。

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所有柔性板的形状都是由一个单一的,可变阶的,被称为MITC(理发成分的混合插值)的有限壳单元建模的。对于悬挂组件,非常小心地包括了所有过程相关的影响,如侧壁角度,预应力,多层支撑,以及非线性行为,如屈曲。

机械模型家族的成员,可以被静电、压电和接触模型“装饰”,行为模型是基于各种建模技术,包括解析公式、数值积分和有限元分析。基础模型的详细描述可以在MEMS+设计环境的综合参考文档中找到。

系统级仿真

集成的MathWoeks环境便于采用MATHLAB脚本进行仿真,也使得Simulink系统模型中包含MEMS+blocks,设计者可单独对多物理场MEMS器件执行DC、AC、瞬态仿真,也可连接驱动信号或者读出信号来执行这些仿真,额外的仿真功能包括:Pull-in分析、Pull-out分析、非线性频率响应。

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使用MEMS+ MATLAB和Simulink,在MEMS+ Innovator中创建的设计可以立即作为Simulink®或MATLAB®兼容模型提供。MEMS+支持信号流(Simulink)和MATLAB脚本驱动的MEMS设备及其周围的信号处理或控制电路设计。

快速的器件或系统级的MEMS仿真

使用MEMS+ MATLAB和Simulink,在MEMS+ Innovator中创建的设计可以立即作为Simulink®或MATLAB®兼容模型提供。MEMS+支持信号流(Simulink)和MATLAB脚本驱动的MEMS设备及其周围的信号处理或控制电路设计。

MATLAB和Simulink(来自Mathworks)是用于工程创新的强大的数字工具,可用于多个工程学科,工程师使用这些工具来设计特定领域的系统,并快速解决困难的工程问题。

MEMS+ MATLAB允许MEMS工程师在熟悉的MATLAB和/或Simulink环境中模拟他们的MEMS设计,并在系统架构和集成电路设计中提供兼容的MATLAB模型。

设计师可以将MEMS+设计平台中创建的参数化模型直接导入MATLAB或Simulink。MEMS+不需要设备物理编程(如机械方程或电容提取)或有限元分析,用户只需使用MEMS+ Innovator工具直观的3D图形界面,即可在MEMS+ Innovator中创建3D设计。MATLAB或Simulink仿真结果,可随后加载回MEMS+ results Visualization模块进行三维查看。利用MEMS+结果可视化技术,可以将MATLAB或Simulink获得的所有仿真结果可视化为全轮廓三维动画。

用于MATLAB和Simulink的MEMS+提供MEMS系统的系统级分析,从纯粹的瞬态仿真到直流、直流转换、模态和交流分析。

关键特性

  • MEMS+ GUI在Simulink自动参数化模型创建

  • 快速系统模拟

  • 精确的多物理模拟

  • 端口DC、DC传输、模态、AC和瞬态模拟

  • 用户定义的符号引脚和参数

  • MATLAB脚本接口,用于模型导入,操作和仿真直接从MATLAB命令行接口

在Simulink中的MEMS+系统仿真

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控制工程师和系统架构师通常使用Mathworks的Simulink来设计MEMS控制回路和信号处理电路。为了取得成功,他们需要在Simulink仿真环境中快速、准确地建立MEMS器件的模型。MEMS系统仿真对于控制器和滤波器的设计以及预测产量对制造变化的敏感性至关重要。

MEMS+ for Simulink允许您通过简单地从MEMS+ Innovator导入一个3d模型来创建所需的设备模型。MEMS+模型可以插入到更大的系统中,这些系统由来自标准Simulink库的组件或来自用户定义的组件组成。在Simulink中创建的MEMS+模型基于Coventor强大的MEMS+模型库,远远超出了一阶近似。

Simulink中的MEMS+为现实世界中的问题提供了现实世界的答案,比如:

  • 如果其他运动模式干扰了控制或感知所需模式的测量,该怎么办?

  • 设备控制回路是否能够从严重的冲击中恢复?

  • 如果装置停了怎么办?

  • 如果设备拓扑发生了变化,或者尺寸发生了很大的变化,该怎么办?


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MEMS+在Simulink中自动创建系统仿真所需的符号,Simulink中的所有MEMS+模型都具有固有的参数化特性,在Innovator原理图中设置为“暴露”的任何数量的材料、工艺或几何变量,也保存在Simulink中创建的相关符号中。这意味着你永远不需要因为材料、过程或几何设计的变化,在Simulink中重新创建模型。

此外,Innovator的MEMS建模环境提供了在Simulink中可见的符号引脚的数量和名称的完全用户控制。用于Simulink的MEMS+支持输入管脚用于电压、力、扭矩、压力负载、加速度和角速率,输出管脚用于电容、电阻、位置和角度。

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在本例中,用户暴露了以下用于系统模拟的输入:参考系的x和y加速度(这是一个2轴加速度计)以及单独的定子梳和证明质量(v_rotor)的电压。对于输出,用户已经暴露了证明质量和四个定子梳之间的4个电容。为了纯粹的诊断目的,模型上的一个点被暴露出来,用于直接施加一个力输入和一个位置输出(M1x, M1y)。

MEMS+ Simulink设计流程

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MEMS+器件的MATLAB仿真

用于MATLAB的MEMS+是MEMS器件快速设计的理想搭配,它允许MEMS设计人员快速缩小最佳MEMS器件的几何尺寸,而不需要使用传统有限元分析工具进行网格研究和参数提取。MEMS+的MATLAB也使MEMS设计者从构造设备物理模型,如机械响应或电容力模型,在他们的设计中简单地理解尺寸变化的影响。

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MEMS+ 为MATLAB提供了各种MATLAB脚本,以促进模型导入、操作和仿真,直接从MATLAB命令行界面。MEMS+脚本支持直流、直流传输、模态、交流和瞬态仿真,不需要任何额外的软件(除了基础MATLAB许可证)。

使用MATLAB的脚本语言,设计师可以探索设计空间,以理解他们的设计超越理想化的几何和物理:如果弯曲结构有侧壁角呢?还是由多层不同的材料组成?或者不是单一的直梁,而是由多个蛇形截面组成?如果静电力有一个强的边缘场分量呢?

作为例子,图中突出了在MATLAB解释器中看到的静电驱动环形陀螺仪的小信号频率响应,该模型采用MEMS+陀螺仪模型。

Cadence集成电路建模

与Cadence Virtuoso®集成,可以轻松导入精确的MEMS+模型,并将它们与驱动和读出电路连接。设计人员可以运行直流、交流、瞬态和噪声分析来评估标称行为和拐角情况。此外,MEMS+设计可以导出为Cadence参数布局单元(PCells),用于全模布局和物理验证。

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通过使用MEMS+®和Cadence,在MEMS+ Innovator中创建的设计可以自动转换为Cadence Virtuoso®设计环境的IC兼容模型和参数布局(PCells)。MEMS+  Cadence支持MEMS+IC在Spectre和SpectreRF中的联合仿真。

电路级MEMS+IC协同仿真

大多数MEMS由MEMS传感或驱动元件(“MEMS器件”)组成,这与处理设备输出信号和/或控制设备的配套电子器不同。任何组织的MEMS产品开发都有类似的划分:设计MEMS设备的工程师和设计周边传感或控制电子器件的IC工程师。

集成电路工程师通常使用Cadence Virtuoso来设计伴随MEMS设备的模拟/混合信号电子器件。为了成功,集成电路工程师需要在Cadence模型库中快速准确地建立MEMS器件的模型。然后将MEMS模型作为集成电路原理图中的元件进行MEMS+IC协同仿真。联合仿真对于验证集成电路设计和预测生产变化的成品率敏感性至关重要。

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Coventor MEMS+工具套件与Cadence的集成促进了从MEMS工程师到IC设计师所需的模型交换,其方式远比市场上以前可用的更无缝。包含参数化仿真模型和布局Pcell的Cadence库单元的生成几乎是瞬时的,不需要任何FEM分析或耗时的降阶建模。

  • 易于使用的MEMS+ GUI在Cadence Virtuoso库管理器自动模型和Pcell生成

  • 用户定义的符号引脚和参数的数量

  • 快速MEMS+IC电路模拟

  • Cadence模拟器中精确的多物理建模

MEMS+ Cadence设计流程

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Cadence Virtuoso中的MEMS+IC仿真

一旦在MEMS+中创建了三维模型,就可以进行仿真了。MEMS+自动创建电路原理图设计的符号,包括电气和机械引脚的分配。模型可以为材料、工艺和几何参数化,这意味着您不必重新创建模型来考虑材料、工艺或几何变化或更改任何这些项目。MEMS+中的高阶有限元已经经过了广泛的测试和验证,并涵盖了广泛的MEMS物理,如静电学、力学、压电和接触建模。用于Cadence的MEMS+允许您创建MEMS设备模型,可以直接使用您在Cadence Spectre和SpectreRF模拟器中设计的IC进行模拟。

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MEMS+ Innovator设计是来自我们的MEMS模型库的MEMS构件组件。通过将每个使用的构建块自动分配给相应的行为模型,韵律模型几乎可以在瞬间生成。只需选择Innovator原理图,MEMS+导入GUI就可以在Cadence Library Manager中生成原理图符号和模型视图。在Innovator原理图中设置为“暴露”的材料、过程或几何变量被保存在创建的Cadence视图中。

此外,MEMS建模环境使用户完全控制在MEMS+模型导入期间创建的符号引脚的数量和名称。用于Cadence的MEMS+不仅支持电子引脚,还支持代表位置、角度、力、扭矩、压力负载、加速度、角速率以及电容和电阻输出的引脚。

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适用于Cadence的MEMS+非常适合模拟和数字电路设计。该图像的特点是一个MEMS+创建的加速度计的原理符号,以及它周围的sigma-delta控制电路,由Cadence标准库的组件组成。由于MEMS+模型的紧凑性和效率,整个系统的瞬态响应可以在标准PC上在10秒内模拟出来。

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MEMS+IC集成:自动化MEMS布局Pcells

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Tape-out是设计周期的最后阶段,在这一点上,设计布局被发送到工厂或铸造厂。这也是公司压力最大的时候。灵活的参数化单元减少了设计输入时间和设计规则违反。参数化单元格(Pcells, Pcells)提供了一种高级的自动化设计,以减少繁琐和重复的布局任务。Pcells可以更改每个单元实例的大小、形状或内容,而无需更改原始单元。它们还将抽象级别提高到组件级别,通过简化复杂的形状和设备,可以使用可变设置生成、编辑和管理这些图形和设备,从而加速布局任务并减少设计违规。

Coventor开发了一种专有算法,可从3d MEMS+设计中生成参数化布局单元。这些MEMS+ PCells可以用不同的参数值实例化。MEMS+的Cadence大大减轻了繁琐的手工Pcell创建的痛苦。得益于Cadence Library管理器中易于使用的MEMS+导入GUI, Pcells可以从任何给定的Innovator原理图自动创建。

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结果可视化

MEMS+结果可视化是向MEMS专家传递仿真结果的重要桥梁。结果可视化通过将仿真数据转化为三维动画,为设计人员提供了MEMS器件在受到电或机械刺激时的响应的详细反馈。

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使用MEMS+用户界面,可以在3D中看到MATLAB Simulink或Cadence Virtuoso的仿真结果。通过结果可视化,用户可以可视化直流、直流扫描、交流、模态分析和瞬态仿真结果。

关键特性

  • 可视化和动画

  • 模拟结果在3D

  • 规模模拟位移结果更好的观察

  • 显示谐波响应和模态形状

  • 记录动画

  • 使用内置的2D图形工具绘制结果

当在标准EDA波形查看器中查看设计结果时,MEMS设备的机械运动可能很难可视化。这些观测器被设计用来显示电路结果,比如电压和电流随时间的变化,或者单个电线上的频率。MEMS模拟涉及机械结构的空间位移和/或旋转,这很难从波形分析中推断出来。在MEMS设计过程中,可视化和理解这种机械运动是很重要的,因为MEMS器件基本上是机械结构。

MEMS+结果可视化是将仿真结果与MEMS专家沟通的重要桥梁。结果可视化允许将MATLAB Simulink或Cadence Virtuoso仿真结果(从包含MEMS+组件的电路)导入MEMS+ 3D环境。结果可视化动画由MEMS+组件库中每个被利用组件的复合三维运动组成。

结果可视化通过将模拟数据转换成3D动画,为MEMS设计人员提供了MEMS设备在受到电或机械刺激时发生的详细反馈。

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MEMS+生成的原理图符号可以暴露机械“线”,并提供有关机械自由度的信息,如空间位移、旋转、力或扭矩。类似于电路的模拟,MEMS模拟中的非电性量可以显示在X-Y图中。

然而,在X-Y图中,设计者只能看到一次单个自由度的运动,例如一个刚性板沿x轴的运动是时间的函数。不幸的是,这些X-Y图不足以显示机械位移,因为对单个刚体的完整解释需要6个X-Y图(3个是平动自由度,3个是转动自由度)。

机械动画很容易在结果可视化中显示,只需在MEMS+用户界面中选择一个结果文件。用户可以快速可视化直流、直流扫描、交流、模态分析以及系统和电路设计过程中产生的瞬态仿真结果所引起的机械运动。

使用结果可视化,时间序列机械位移动画(在所有3个平移和旋转方向)可以成为MEMS设计过程中不可分割的一部分。

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