Проектирование микросистем. Программные средства обеспечения САПР

Министерство образования и науки  Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
А. А. Левицкий  
П. С. Маринушкин 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
МИКРОСИСТЕМ 
 
Программные средства  
обеспечения  САПР 
 
 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и 
автоматизации в качестве учебного пособия 
для студентов вузов по направлению 210200, 
31 мая 2010 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2010 

УДК 004.42(07) 
ББК 32.973.2-018я73 
Л37 
 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
Г. Н. Чурилов, д-р техн. наук, проф. зав. лабораторией АМИВ Института физики СО РАН;  
Е. Н. Сухарев, канд. техн. наук, доц. кафедры «Электронная техника 
и телекоммуникации» Сибирского государственного аэрокосмического 
университета  
 
 
 
 
 
Левицкий, А. А. 
Л37            Проектирование микросистем. Программные средства обеспечения 
САПР : учеб. пособие /  А. А. Левицкий, П. С. Маринушкин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2010. – 156 с. 
ISBN 978-5-7638-2111-6 
 
В пособии рассматриваются вопросы применения программных средств, 
используемых при проектировании устройств микросистемной техники. Приводятся сведения о специализированных системах проектирования, об универсальных CAE- и других пакетах программ, обеспечивающих решение задач моделирования и разработки элементов микросистемной техники. 
Рекомендовано студентам направлений подготовки бакалавров и магистров 210100 «Электроника и микроэлектроника» и 210200 «Проектирование и технология электронных средств» (ГОС ВПО 2); 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 211000 «Конструирование и технология электронных средств» 
(ФГОС ВПО). 
 
 
УДК 004.42(07) 
ББК 32.973.2-018я73 
 
 
 
 Сибирский федеральный  
ISBN  978-5-7638-2111-6 
университет, 2010 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Микросистемная техника (МСТ) является одним из наиболее активно 
развивающихся в последнее время научных направлений. Актуальность работ 
в данном направлении связана с тем, что МСТ обладает значительным прикладным потенциалом, что подтверждается большим объемом публикаций как 
в России, так и в ведущих странах мира. С развитием МСТ (в ряде зарубежных 
стран чаще используется аббревиатура МЭМС – «микроэлектромеханические 
системы» [6]) наблюдается тенденция к переходу от проектирования микроструктуры к проектированию микросистемы. По мере совершенствования 
технологических процессов и повышения производительности вычислительных средств разработчики все больше ориентируются на решение задач оптимизации устройств МСТ с точки зрения системы. Современные инструменты 
автоматизированного проектирования обладают функциональными возможностями, обеспечивающими решение таких задач.  
Несмотря на то, что в развитых в техническом отношении странах 
мира издается большое количество учебной литературы по вопросам проектирования устройств МСТ, в нашей стране ощущается ее недостаток. 
Практически отсутствует литература, содержащая сведения общего характера о современных тенденциях развития соответствующих программных 
средств, в особенности применительно к подготовке специалистов в области решения задач анализа и синтеза микросистем как на схемотехническом 
и системном уровне, так и моделирования на физическом уровне. Предлагаемое учебное пособие призвано восполнить этот пробел.  
Очевидно, что ограниченное по объему учебное издание, такое как 
данное пособие, не может и не должно вмещать в себя подробную информацию о множестве имеющихся программных средств, предназначенных 
для решения данных задач, связанных с разработкой микросистем. Поэтому в 
данном случае акцент был сделан на общих принципах и сравнительной характеристике программных средств. Более детально рассмотрены только 
достаточно известные пакеты – MEMS Tec, CoventorWare, IntelliSuite.  
В пособии не рассматриваются программные средства, предназначенные для физического и технологического моделирования полупроводниковых микроэлектронных устройств, такие как Synopsys Sentaurus 
TCAD (ISE TCAD), Tsuprem, MicroTec, Silvaco TCAD.  
Вместе с тем в пособии приводятся сведения не только о специализированных системах проектирования, но и о применении универсальных 
CAE- и других пакетов, позволяющих решать задачи моделирования и разработки элементов микросистемной техники. 
Авторы выражают благодарность А. А. Липуновой за помощь в подготовке части материалов пособия к изданию. 

1. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ 
МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ 
 
 
Моделирование микромеханических устройств может вызывать зна
чительные трудности. Это объясняется тем, что для создания и анализа 
моделей этих устройств, как правило, необходимо решение комплекса связанных задач, описывающих различные по своей природе физические         
эффекты.  

Известен ряд способов описания поведения элементов МСТ: от ана
литического описания с помощью формул до трехмерного численного моделирования. В последнее время уделяется большое внимание проблеме 
компьютерного моделирования МЭМС.  
Значительный практический интерес представляет численное моделирование, так как оно позволяет наиболее полно учитывать взаимодействие процессов различной физической природы для элементов произвольной формы. Использование пакетов численного моделирования, реализующих метод конечных элементов, делает возможным детальное изучение процессов, положенных в основу чувствительных и исполнительных 
устройств МСТ. 
 
 
 
1.1. Элементы микросистемной техники  
как объекты моделирования 
 
 
Микросистемная техника является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений микроэлектроники и предполагает изготовление в едином технологическом цикле не только интегральных 
схем обработки данных, но и интегральных устройств сбора информации 
(микросенсоров) и исполнительных механизмов (микроактюаторов).  
Устройства МСТ включают также микроминиатюрные источники 
питания, микродвигатели, микродозаторы, микронагреватели и микрохолодильники, микромеханические резонаторы, излучающие устройства (лазеры и светодиоды), струйные и лазерные печатающие устройства, кантилеверы, носители информации и т. п. Применение МЭМС в сочетании с 
традиционными элементами полупроводниковых интегральных схем позволяет существенно повысить уровень интеграции, а также значительно 
уменьшить размеры  электронных устройств. 
Вследствие этого технологии микросистемной техники в настоящее 
время относятся к наиболее перспективным направлениям микро

электроники, позволяя реализовать многофункциональные микросистемы 
на одном кристалле.  
Пример сложной микросистемы, выполненной на одной подложке и 
включающей как сенсорные, так и исполнительные компоненты, представлен на рис. 1.1. Примеры конструкций различных исполнительных микросистемных элементов приведены на рис. 1.2 
 
 

 
 
Рис. 1.1. Аналитический микрофлюидный чип, изготовленный по технологии поверхностной микрообработки. Микрофлюидные устройства, показанные на рисунке: (слева направо, по часовой стрелке) перистальтический  
микронасос, емкостной датчик расхода, тепловой датчик расхода 
 
 
Разработка и исследование компонентов современных микроэлектромеханических систем (МЭМС) связаны с решением задач математической физики, к которым относят задачи теплопроводности, диффузии, 
электростатики и электродинамики, задачи о течении жидкости, о распределении плотности электрического тока в проводящей среде, о деформациях твердых тел и многие другие. Кроме того, моделирование микроустройств требует учета таких факторов,  как сопротивление воздуха и силы 
тяжести в электростатических устройствах, учет поверхностного натяжения жидкости в жидкостных устройствах и т. д. Пример подобной задачи 
(анализ электростатического переключателя), решение которой требует 
проведения связанного электростатического-структурного расчета с учетом сопротивления воздуха, представлен на рис. 1.3. 
Обзор источников, посвященных моделированию микромеханических устройств, показывает, что при описании моделей МСТ-устройств 
используются  аналитические методы [2–5], численные методы (методы 
конечных элементов, конечных разностей, конечных объемов), сочетание 
нескольких способов описания. 

а 
б 

 

в 
г 
Рис. 1.2. Примеры микроактюаторов различных типов: а – элемент электростатического двигателя; б – магнитный актюатор; в – П-образный тепловой  
актюатор; г – пьезоэлектрический биморфный актюатор 
 
 

 
Рис. 1.3. Связанный анализ на примере  
электростатического переключателя [1] 

В последнее время особенно широко стал использоваться метод конечных элементов. С распространением этого метода созданы модели как 
простых электростатических (электростатические зеркала, переключатели) 
и пьезоэлектрических устройств (пьезоэлементы, пьезотрансформаторы) 
[6–8], так гораздо более сложных конструкций (микрореакторов, микронасосов, пьезоэлектрических двигателей), при этом одновременно учитывается взаимодействие разных физических процессов в устройствах [9–15]. 
Кроме того, развивается направление создания поведенческих моделей 
устройств на основе конечно-элементных моделей, что позволяет значительно сократить временные затраты при моделировании больших систем, 
включающих исполнительные элементы. 
 
 
 
1.2. Численное моделирование 
 
 
Численное моделирование включает метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод граничных элементов. Численное моделирование позволяет детально исследовать поведение анализируемой структуры.  
Наибольшее распространение получил метод конечных элементов. 
На нем основано большинство программ моделирования МЭМС. В основе метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений 
механики сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей. Эти области 
называются конечными элементами. Они могут соответствовать реальной части пространства, как, например, пространственные элементы, 
или же быть математической абстракцией, как элементы стержней, балок, пластин или оболочек.  
В пределах конечного элемента назначаются свойства ограничиваемого им участка объекта (это могут быть, например, характеристики жесткости и прочности материала, плотность и т. д.) и описываются поля интересующих величин (перемещения, деформации, напряжения и т. д.). Параметры из второй группы назначаются в узлах элемента, а затем вводятся 
интерполирующие функции, посредством которых соответствующие значения можно вычислить в любой точке внутри элемента или на его границе.  
Задача математического описания элемента сводится к тому, чтобы 
связать действующие в узлах факторы. Например, перемещения и усилия. 
Метод конечных элементов позволяет решать задачи нахождения собственных частот элементов МЭМС; определения напряжений и деформаций 
в условиях статического нагружения конструкций; определения отклика 
конструкции на воздействия, изменяющиеся во времени. 

Первый этап в процедуре численного анализа (рис. 1.4) – это создание модели анализируемой структуры. Этот этап может быть выполнен 
различными способами и зависит от возможностей используемых пакетов. 
Модель может создаваться автоматически на основе уже существующих 
фотошаблонов в форматах CIF или GDSII, либо используются специальные программы твердотельного моделирования (или встроенные в вычислительные пакеты средства создания геометрических моделей). Как только 
модель создана, задаются свойства материалов, выбирается тип анализа, и 
модель разбивается на конечные элементы.  
 
 

 
Рис. 1.4. Этапы моделирования с помощью метода конечных элементов 
 
 
Метод граничных элементов требует нанесения сетки только на 
внешних поверхностях модели, в то время как другие два метода требуют 
разбиения на элементы всего объема модели. После того, как сетка была 
создана, указываются нагрузки на модель и граничные условия. По окончании анализа результаты исследуют, чтобы определить, хорошо ли удовлетворяет сетка приложенной нагрузке и граничным условиям. После этого может потребоваться доработка сетки и повторный анализ. Некоторые 
пакеты могут выполнять эту процедуру автоматически, используя технологию адаптивного разбиения, которая позволяет автоматически настраивать плотность сетки так, чтобы критические участки имели лучшее качество сетки, чем некритические участки. 
Полученные в итоге результаты могут использоваться для оптимизации 
конструкции, доработки технологии (минимизации остаточных напряжений 
при производстве) и для создания поведенческой модели структуры, необходимой для анализа работы устройства в составе подсистемы или системы. 

1.3. Моделирование  
с помощью схем замещения 
 
 
Помимо численного моделирования устройств МСТ широко используются способы аналитического моделирования и моделирования с помощью эквивалентных электрических схем. Эти способы позволяют моделировать работу устройств МСТ совместно со схемой обработки сигнала на 
системном уровне. Кроме того, использование таких подходов позволяет 
значительно сократить время расчетов, а также снизить требования к вычислительным ресурсам компьютеров. 
 
 

 
 
Рис. 1.5. Эквивалентная схема микронасоса [3] 
 
 
Однако аналитическое решение может быть получено только для ограниченного круга сравнительно простых задач. В большинстве случаев 
для сложной геометрии задачи и при необходимости учета различных нелинейностей требуется применение численных методов. Наиболее точный 
метод – описание с помощью систем уравнений в частных производных. 
Этот подход используют программы конечно-элементного анализа. При 
этом задача моделирования реальной системы становится очень большой, 
и для ее решения требуются значительные вычислительные ресурсы. Выходом из этой ситуации может служить использование моделей с сосредоточенными параметрами для описания микросистемы. Подобной моделью 
является, например, модель насоса на рис. 1.5. 

В рамках данного подхода используется выделение из структуры 
элементов с сосредоточенными параметрами, каждый из которых может 
быть описан с помощью простых аналитических моделей, и для которых 
могут быть сформулированы соотношения между отдельными элементами. 
 
 
 
1.4. Поведенческие модели элементов  
микросистемной техники 
 
 
При больших размерностях моделей применение метода конечных 
элементов осложняется необходимостью использовать значительные вычислительные ресурсы и большими временными затратами. Поэтому становится невозможным применение конечно-элементных моделей для анализа исполнительных устройств совместно с управляющей схемой. Для 
решения этой проблемы на основе конечно-элементных моделей создаются поведенческие модели. 
 
 

 
 
Рис. 1.6. Процедура создания ROM-модели [16] 
 
 
Создание поведенческих моделей основано на процедуре уменьшения порядка (Reduced Order Model – ROM), которая может быть полностью 
автоматизирована. Она основана на формальном преобразовании систем дифференциальных уравнений в частных производных к системам обыкновенных 
дифференциальных уравнений низкого порядка (рис. 1.6). ROM-модель порядка требует меньшего количества компонентов или меньшего количества 
уравнений, чем детализированная модель системы. Такой подход обеспечивает повышение эффективности средств моделирования сложных систем.