MEMS-IC 设计的新平台和结构化方法

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。

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。采用德州仪器的数字微反射镜器件（DMD）的例子，我们展示新的 MEMS - IC 设计方法如何可以应用到一个镜面阵列，并将多个 MEMS 微镜与电子控制电路一起仿真。

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。

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。我们进一步通过 DLP 微镜阵列实例来阐释 MEMS+。

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。

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。MEMS+结合 Cadence Virtuoso 的使用和功能将通过一个 MEMS 微型反射镜阵列应用实例来描述。

DLP 反射镜阵列

德州仪器的数字光处理[DLP]投影系统是一个众所周知的显示技术，核心是一个数字微反射镜器件（DMD），该芯片包含一个 MEMS 微反射镜的二维阵列。每个镜面在 SRAM 单元上面加工，SRAM 决定镜面的状态。

因此，铺在微镜阵列下方的 SRAM 单元阵列可以逐个地通过字和位线访问，正如访问 SRAM 内存芯片中的位一样。在这个例子中，我们演示了采用 MEMS+和 Cadence Virtuoso 如何实现 DMD 反射镜阵列及其控制电路一起仿真。

MEMS 输入设计动工之前，必须指定加工工艺和材料。MEMS 设计与 IC 设计不同，因为随着设计的进展，它经常需要修改加工工艺。MMEMS+模块的所有参数可以指定为常量、变量或代数表达式设计输入的第一步是为单个 DMD 像素点创建一个行为模式，如图 1 左侧所示。

图 1：在 MEMS+中创建的 MEMS 反射镜模型，与 Cadence Virtuoso 示意图中的 SRAM 单元结合起来，然后抽象为一个层级符号，代表微镜阵列中的一个像素点。

同时，用 Cadence 设计环境（3）工艺设计包中熟悉的组件，IC 设计人员在每个镜面底下创建了一个 SRAM 存储单元的示意图。CMOS SRAM 单元可以依次连接到镜面装配成完整的像素单元（5）。然后，复制这个像素单元，形成一个阵列并连接到驱动电路，如图 2 中图像（6）所示。

图 2：完整示意图，包括 25 个镜面、CMOS SRAM 和控制电路;示例输入和输出信号;三维动画

由于 MEMS 设计人员还需要在物理实现层上验证器件，MEMS+自动生成三维实体模型，以作为有限元分析的输入。MEMS+还可以自动生成一个完全参数化的 PCell，其具有与示意图符号[5]相同的外显参数。

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“黄金源”参考模型输入新的 3D MEMS 设计平台，MEMS+。MEMS+还通过与 MathWorks 的 MATLAB Simulink®集成，支持功能或算法级设计。

虽然本文只提供了一个应用新方法到 DLP MEMS 反射镜阵列及电子电路的例子，但是 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[6]中。

参考文献

[1] G. Lorenz, M. Kamon, A System-Model-Based Design Environment for 3D Simulation and Animation of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS),Proceedings of APCOM’07 in conjunction with EPMESC XI, Kyoto, Japan,December 3-6, 2007.

[2] N. Zhou, J. V. Clark, K. S. J. Pister, Nodal Simulation for MEMS Design UsingSUGAR v0.5. Intl. Conf. on Modeling and Simulation of MicrosystemsSemiconductors, Sensors and Actuators, Santa Clara, CA, April 6-8, 1998, pp.308-313.

[3] G. Schröpfer, M. McNie, et al, “Designing manufacturable MEMS in CMOS compatible processes: methodology and case studies”, Proceedings of SPIEPhotonics Europe 2004, Strasbourg, France, April 2004

[4] Hornbeck L J, Current Status and Future Applications for DMD-BasedProjection Displays, Proc 5th Int Disp Workshops 1998, Japan, 713-716(1998)

[5] Gunar Lorenz, Stephane Rouvillois, Jean-Francois Chianetta, Gerold Schröpfer ea., A Novel EDA-Compatible Methodology for Design and Simulation of MEMS with IC, 7. GI/GMM/ITG-Workshop on Multi-Nature Systems, Ulm, Germany, 3 February 2009

[6] S. Breit, C. Welham, S., M. Kraft, M. McNie, Multi-Degree-Of-Freedom Simulation of Micromachined Sensors under Mixed-Signal Control, To be presented at ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Boston, Massachusetts, October 31- November 6, 2008,