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內容簡介

《微機電係統設計：建模、仿真與可視化》建立瞭一種微電子機械器件的設計方法，對現有設計係統功能作瞭一些重要的補充和完善，其基本思路是在設計階段，當版圖和工藝設計完成後，通過建立運動部件的動態模型，進行三維可視化仿真，形成器件在虛擬環境中運行，從而對器件的運動功能進行評測。這種功能主要體現在：應用三維可視化技術得到器件加工後的三維實體模型和進行可加工性驗證；對此實體模型進行動態建模，並進行虛擬運行，以考察其運動性能；建立基於IP庫的設計係統，提供瞭一種自頂嚮下和自底嚮上相結閤的設計手段。係統是開放的，各種功能都有延伸發展的空間。
《微機電係統設計：建模、仿真與可視化》可供微電子機械設計人員參考使用，也可作為相關專業高年級本科生和研究生的專業課教材和學習參考書。

目錄

前言
第1章 緒論
1.1 MEMS發展曆史的簡要迴顧
1.2 MEMS應用一瞥
1.2.1 傳感微係統
1.2.2 微執行器
1.2.3 信息微係統
1.2.4 生物微係統
1.2.5 軍事用：MEMS器件
1.3 MEMS設計現狀概述
1.3.1 係統級仿真
1.3.2 器件級仿真
1.3.3 工藝級仿真
1.4 當前MEMS設計存在的問題及其解決途徑
1.4.1 MEMS與IC的差彆及其對設計的影響
1.4.2 動態性能的建模仿真與虛擬運行
1.4.3 IP庫與虛擬工藝
1.4.4 關於設計方法學的一些思考
參考文獻

第2章 微機電係統工藝級仿真——虛擬工藝技術
2.1.虛擬工藝的一般概念
2.1.1 MEMS的工藝仿真
2.1.2 什麼是虛擬工藝
2.1.3 虛擬工藝的兩種技術路綫
2.2 微機電係統製造工藝
2.2.1 光刻
2.2.2 錶麵矽工藝
2.2.3 體矽工藝
2.2.4 鍵閤工藝
2.2.5 LIGAX：藝
2.2.6 其他工藝
2.3 基於專傢知識的工藝流程仿真
2.3.1 基於體塊模型的虛擬工藝
2.3.2 基於體素(voxel)模型的虛擬工藝
2.4 基於物理模型的MEMS工藝仿真
2.4.1 投影式光學光刻工藝仿真
2.4.2 DRIE2工藝仿真
2.5 小結
參考文獻

第3章 微機電係統的行為級仿真建模方法
3.1 基於機理的動態模型建模方法
3.1.1 微懸臂梁動力學模型
3.1.2 微加速度計的動態模型
3.1.3 微馬達的動態模型
3.2 基於係統辨識的動態模型建模方法
3.2.1 基於係統辨識的建模方法
3.2.2 基於係統辨識的建模方法的實施過程
3.3 MEMS器件動態模型建模實例
3.3.1 電容式微加速度計的動態模型
3.3.2 微流量泵的動態模型
3.4 基於標準等效結構的建模方法
3.4.1 基本思路和一些概念
3.4.2 等效到機械域的等效結構建模方法
3.5 電路標準等效模型的建模與仿真方法
3.5.1 基本思路和一些概念
3.5.2 標準等效結構模型
3.5.3 靜電換能器模型
3.6 采用VHDLAMS語言的建模與仿真方法
3.6.1 VHDLAMS建模方法
3.6.2 微加速度計的VHDLAMS語言建模與仿真
3.7 小結
參考文獻

第4章 微機電係統的虛擬運行
4.1 虛擬運行的實現框架
4.1.1 什麼是虛擬運行
4.1.2 虛擬運行的入口——虛擬組裝
4.1.3 虛擬運行的流程
4.1.4 動態模型求解
4.1.5 三維可視化技術
4.2 虛擬運行實例
4.2.1.微懸臂梁機理模型求解與虛擬運行
4.2.2 微馬達機理模型數值解與虛擬運行
4.2.3 微流量泵的模型與虛擬運行
4.3 小結
參考文獻

第5章 基於IP庫的MEMS設計係統
5.1 基於IP庫的MEMS設計方法
5.1.1 IP庫的概念
5.1.2 基於IP庫的MEMS設計流程
5.2 可視化建模方法——虛擬組裝
5.2.1 虛擬組裝的基本流程
5.2.2 基於節點分析法的虛擬組裝
5.2.3 基於節點分析法的虛擬組裝的實現
5.3 基於IP庫的MEMS設計係統的形式化描述
5.3.1 IP庫的形式化描述
5.3.2 係統功能形式化描述
5.3.3 設計係統的形式化描述
5.4 基於IP庫的MEMS設計係統實現
5.4.1 基於IP庫的MEMS設計係統的總體框架
5.4.2 IP模塊及IP庫的實現
5.4.3 微泵設計過程的實現
5.4.4 基於IP庫的MEMS設計係統的器件設計
5.5 小結
參考文獻

第6章 MEMS器件設計案例
6.1 微鏡光開關的設計
6.1.1 微鏡光開關的總體設計
6.1.2 靜電驅動光開關模型
6.1.3 光開關結構模態分析
6.1.4 光開關虛擬運行
6.1.5 虛擬工藝
6.2 矽微加速度計的設計
6.2.1 矽微加速度計概述
6.2.2 電容式微加速度計結構設計與分析
6.2.3 雙端四梁微加速度計的虛擬工藝仿真
6.2.4 雙端四梁微加速度計的虛擬組裝
6.2.5 雙端四梁加速度計的虛擬運行
6.2.6 加工結果及機械性能檢驗
6.2.7 封裝及電路測試
6.3 靜電驅動式微夾鉗的設計
6.3.1 靜電驅動式微夾鉗概述
6.3.2 靜電驅動式微夾鉗結構設計與分析
6.3.3 虛擬工藝仿真
6.3.4 基於機械域等效結構的虛擬組裝
6.3.5 基於電域的基本等效結構模型的虛擬運行
6.3.6 實際加工結果及其精度驗證
6.4 小結
參考文獻
《半導體科學與技術叢書》已齣版書目

精彩書摘

3.有關模型應用的幾個問題
如何應用所得到的模型還有幾個問題需要作進一步討論。建模的目的是要對器件的（動態）運動性能進行評測，而有限元分析是對器件的靜態（穩態）性能的分析，即在給定外力作用下，器件的變形的穩定狀態。它並不給齣這種變形的過程，也就是說不分析變形的過渡過程，而這個過程正是進行動態評測所關心的。例如，對微流量泵的雙金屬驅動膜片的分析，希望能分析膜片在整個加熱／冷卻過程中變形的變化，這顯然是一個動態過程，用目前的方法如何來做到這一點呢？
首先，將驅動膜片變形（即電加熱）的整個時間區間，分為若乾時間點，在每個時間點上都建立一個靜態模型。那麼，在整個時間區間上就得到一族靜態模型，隻要時間點選得閤適，這一族靜態模型就能從整體上體現器件的動態性能，對評測也就夠用瞭（事實上也沒有必要用器件在連續時間上的動態性能來進行評測）。這裏的做法就是在閤適的時間分辨率下，用一族靜態模型來逼近連續時間上的動態模型，達到問題的極大的簡化。
其次，即使如上所說的求取一族靜態模型，也會帶來很大的工作量。為瞭更進一步簡化問題，減少工作量，需要深入分析一下這一族靜態模型是否有什麼規律可循。為此，來分析一下有限元計算。以工程中最簡單的結構——鉸支杆為例說明有限元計算的一個重要的內在特徵。
……

前言/序言

　　微電子技術已經是當今科技發展的重要的核心技術，由此而生的集成電路（IC）已經是無人不曉，無處不在，無所不能的標誌性技術。1987年伯剋利加州大學的科學傢研製成功瞭基於錶麵犧牲層技術的轉子直徑為60-100um的矽靜電馬達，使人們看到瞭如何用大機器製造小機器的奇妙天地，微電子機械係統（MEMS）這一充滿瞭活力的新技術方嚮也就應運而生，成為21世紀的關鍵技術。
　　M_EMS雖然也是用矽微電子工藝製作，但它與IC卻有著許多重要不同：MEMS的結構是三維的，而集成電路是平麵結構的；MEMS有機械運動功能，所以MEMS在運行中，它的某些部件是要産生形變的，而集成電路則沒有；對M=EMS運動的分析是多個物理過程（電、熱、力、磁……）的綜閤，而集成電路主要是電的過程。
　　由於以上原因，MEMS的設計就産生瞭一些在IC設計中沒有的新問題，主要問題之一是在設計中如何對器件的運動功能進行評測。IC設計已有非常完善的各層次的仿真工具，但還缺乏對由於變形而形成的運動功能的仿真。問題之二是所設計的器件經加工後，是否能準確地保持設計的三維形狀（因為器件有運動功能，形狀的小改變就有可能産生重大影響），這也是MEMS設計者關心的新問題。MEMS器件涉及多能域的耦閤和轉換又是另一個IC設計中沒有的新問題，等等。本書的內容主要就是圍繞這些問題展開的。
　　如何對MEM。s器件的機械運動進行仿真？這是MEMS設計係統要解決的核心問題之一。由於是在設計階段進行仿真，並不能直接考察實際器件的運行。因此，必須構築一個器件能“運行”的虛擬環境，建立描述所設計器件機械運動（當然也包含由此帶來的電、熱、光、磁等多能域的運動）的數學模型，建模是對器件性能進行評測的基礎。被設計的器件用描述它的運動的動態模型的解隨時間的演化來錶徵它的狀態，這種狀態（動態模型的解）用三維可視化技術，錶現齣器件的運動，就可以使器件在虛擬環境中“運行”起來，這個仿真過程稱為“虛擬運行”。
　　根據設計好的版圖和工藝文件去進行器件加工，加工齣來的器件和所設計的器件是否一緻？設計者希望能在實際加工前就能有一個比較清楚的瞭解。虛擬工藝就是實現這一目標的工具，虛擬工藝就是以設計齣來的版圖和工藝文件作為輸入，輸齣則是加工齣來的器件的可視化三維實體形狀。由於每條加工綫對結果的影響是不一樣的，所以任何一個虛擬工藝係統都是針對一個特定的工藝流程。
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