8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 1/13

13Mô hình hóa và mô phỏng

hệ vi cơ điện tử (MEMS)

Carla Purdy Đại học Cincinnati

13.1Giới thiệu ...........................................................................113.2Qui trình phát triển mạch điện tử số: Mô hình hóa và mô phỏng các hệ cỡ

micro (hoặc nano) ..............................................................213.3Sự phát triển mạch tín hiệu tương tự và hỗn hợp: mô hình hóa và mô phỏng

với kích thước cỡ micro (hoặc nano) và đầu vào, đầu ra và các tín hiệu hỗn hợp tương tự và số ..............................................................5

13.4Các kỹ thuật cơ bản và các công cụ sẵn có cho mô hình hóa và mô phỏng MEMS ................................................................................6

13.5Mô hình và mô phỏng MEMS; các hệ thống cỡ micro (hoặc nano); đầu vào, đầu ra, và tín hiệu hỗn hợp tương tự và số; hiện tượng hai và ba chiều; cộng gộp và tương tác của đa miền và các kỹ thuật ...................9

13.6Một “công thức” mô phỏng MEMS thành công ...............1013.7Kết luận: Sự phát triển liên tục của mô hình hóa và mô phỏng MEMS ....... ..11

13.1 Giới thiệuMô hình hóa chính xác và mô phỏng hiệu quả để giảm đáng kể thời gian phát triển và giá thành, là các kỹ thuật

thiết lập tốt trong thế giới thu nhỏ của các mạch tích hợp (IC – Integrated Circuit). Việc mô phỏng thường đạt đượcxác 5% hoặc ít hơn cho các tham số quan tâm [1], tuy nhiên nhiều mô phỏng kém chính xác hơn (chẳng hạn, 25-30%thể được dùng để nhận được thông tin có giá trị [2]. Trong thế giới IC, mô phỏng được dùng để dự báo tính năngthiết kế, phân tích một thành phần có sẵn, hay hỗ trợ việc tổng hợp tự động một thiết kế. Tóm lại, các môi trườngMEMS cũng cần có ba khả năng này. Tất nhiên, các nhà phát triển MEMS quan tâm nhất đến việc tiếp cận nhanh tớthuật và công cụ riêng biệt nhằm hỗ trợ việc phát triển hệ thống hiện thời. Tuy nhiên, về lâu dài, việc đạt được homô phỏng MEMS với độ chính xác chấp nhận được sẽ không chỉ phụ thuộc vào khả năng của môi trường CAD (caided design – thiết kế có sự trợ giúp của máy tính) nhằm phát triển các công cụ mạnh, hiệu quả, thân thiện cho cnghiên cứu và kỹ sư sản xuất, mà còn phụ thuộc vào sự tồn tại của các quá trình chuẩn hóa có sẵn có thể có thể cTrong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào các cách tiếp cận cơ bản để việc mô phỏng MEMS trở nên dễ dàng. cũng xem xét các công cụ có sẵn mà một nhà phát triển MEMS có thể dùng để đạt được các kết quả mô phỏng tốcông cụ trong số này tạo nên các hệ thống phát triển MEMS trên nền tảng sẵn có của các công nghệ khác, do đó những nguồn lực rộng lớn đã được phát triển sâu rộng trước đó và tránh việc “sáng tạo theo vòng tròn”.

Để có thể bàn về việc mô hình hóa và mô phỏng, cần biết các đặc tính nổi bật của MEMS là:1. Bao gồm nhiều lĩnh vực và công nghệ và sự tương tác của chúng2. Có cả các ứng xử 2 chiều và 3 chiều3. Đầu vào, đầu ra và các tín hiệu là hỗn hợp cả tương tự (liên tục) và số (rời rạc)4. Các kích thước đặc trưng cỡ micro (hoặc nano)

Các công nghệ chế tạo hệ thống (hai chiều) tin cậy với kích thước đặc trưng cỡ micro hoặc nano (đặc tính 4) đthiện trong lĩnh vực vi điện tử, và sẽ là hợp lý để thử triển khai công nghệ này cho MEMS, kết hợp với những thathiết nhằm giải quyết các đặc tính 1, 2, 3. Ở đây, chúng ta xem xét một số nguyên lý làm cho vi điện tử như là một lĩnh vực phát triển nhanh, và chúng ta xem xét các công cụ vi điện tử có thể được dùng hoặc được sửa lại cho phù hợp để chúng ta áp dụng những nguyên lý này cho MEMS. Chúng ta cũng thảo luật xem tại sao việc áp dụng các chiến lượcMEMS lại không luôn khả thi.

1

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 2/13

Sổ tay Cơ điện tử

13.2 Qui trình phát triển mạch điện tử số: Mô hình hóa và mô phỏng các hệ cỡ micro(hoặc nano)

Lưu đồ qui trình phát triển hệ thống hay mạch điện tử số VLSI điển hình được thấy trên hình 13.1, ở đây các đưchấm chỉ ra điểm tối ưu nhất mà nhà phát triển có thể trở lại nếu các lỗi được phát hiện. Lựa chọn A, cho công nthiện”, được hỗ trợ bởi các bộ mô phỏng chính xác và hiệu quả, do đó thậm chí việc chế thử (“silicon đầu tiên”) cũcó khả năng được chấp nhận. Mục tiêu của qui trình hoàn thiện là có được các mô phỏng tốt hơn nữa, để giảm hơ

sai sót vận hành nghiêm trọng sau khi chế tạo. Để hỗ trợ cho mục tiêu này, việc phát triển các mô hình và các bộ mônhiệm vụ chính. Lựa chọn B (công nghệ chưa hoàn thiện), tại điểm cuối cùng của qui trình, có thể tiêu biểu cho cthực nghiệm mà nó không đủ dữ liệu hỗ trợ cho ngay cả các mô phỏng không mạnh lắm. Trong các hệ thống phát tcứng và phần mềm hiện đại, quan trọng là các công cụ đưa thêm các hỗ trợ tốt cho giai đoạn đầu của qui trình nàtăng khả năng nhận dạng lỗi ý tưởng và lỗi thiết kế và việc sửa đổi sẽ được thực hiện sớm như có thể, như vậy scả thời gian phát triển lẫn giá thành sản phẩm.

Ngày nay, với mức micro, chu trình phát triển ứng với Lựa chọn A thường được thực hiện cho nhiều mạch điệTrên thực tế, qui trình đầy đủ có thể được tự động hóa cao trong một số trường hợp, do đó có “các bộ biên dịch sili“các máy tính thiết kế máy tính”. Vì vậy, không chỉ phân tích thiết kế, mà thậm chí tổng hợp thiết kế cũng có thể tđược. Ví dụ, trường hợp công nghệ CMOS dựa trên silicon được thiết lập tốt. Có nhiều đặc tính của các hệ thốngtính khả thi này. Đó là:

Sự tồn tại của một tập nhỏ các phần tử mạch số cơ bản. Tất cả các hàm Boolean có thể được thực hiện bằng

các hàm logic AND, OR, NOT. Trên thực tế, tất cả các hàm có thể được thực hiện bằng việc tổ hợp chỉ một cổng(NOT-AND). Vì thế nếu một “thư viện mô hình” các cổng cơ bản (và một vài phần hữu ích khác, như các chân vào/rdồn kênh, và các flip-flop) được phát triển, thì các hệ thống có thể được thực hiện chỉ bằng việc tổ hợp các phần tthích hợp.

Một tập nhỏ các công nghệ đã được hiểu rõ và được chuẩn hóa, với các qui trình chế tạo đã được miêu tả kỹ sẵnơi. Ví dụ, ở Mỹ, dịch vụ MOSIS [3] hỗ trợ khả năng tiếp cận tới các công nghệ này. Các dịch vụ tương tự như CM[4], Europractice ở Châu Âu [5], VDEC ở Nhật [6], và CMC ở Canada [7].

Một cơ sở hạ tầng giáo dục tốt và các phương tiện tạo mẫu thuận lợi. Tất cả đều được hỗ trợ bởi các dịch vdạng hỗ trợ giáo dục và tổ chức này có nguồn gốc trong tác phẩm của Mead và Conway [8] và tiếp tục sinh ra thêm cVLSI tinh vi. Một khía cạnh quan trọng của cơ sở hạ tầng này là nó cũng hỗ trợ, với giá tương đối thấp, khả năng ticác thiết bị và hệ thống mẫu, được làm với các qui trình chế tạo ổn định, ứng xử của chúng có thể được kiểm tra vsánh với kết quả mô phỏng, từ đó cho phép cải tiến theo các kỹ thuật m.

“Các mức và các quan sát” (sự trừu tượng hóa và tĩnh lược hay “che dấuthông tin”) (xem [9]). Khái niệm này được minh họa trên hình 13-2(a). Vớilĩnh vực VLSI, chúng ta có thể nhận thấy ít nhất 5 mức trừu tượng hóa hữuích, từ mức thấp nhất (hình học hóa sơ đồ) đến mức cao nhất (đặc tả hệthống). Chúng ta cũng có thể “quan sát” một hệ thống theo ứng xử, cấu trúc,hoặc tính vật lý. Trongmiền ứng xử chúng ta mô tả chức năng của mạch điệntử mà không chỉ ra cách thực hiện chức năng ấy. Nó cho phép chúng ta hìnhdung rõ ràng: hệ thống cần phải làm gì, các đầu vào đòi hỏi gì, và các đầu rasẽ đưa ra cái gì. Vì thế, chúng ta có thể quan sát mỗi thành phần như là một“hộp đen” để định rõ được đáp ứng cho các đầu vào. Ví dụ, dòng điện quamột transistor hiệu ứng trường MOS (MOSFET), là một hàm của điện ápcổng, là một miêu tả ứng xử (mức thấp). Trongmiền vật lýchúng ta định rõcác phần vật lý thực sự của mạch điện tử. Tại các mức thấp nhất của miềnnày, chúng phải chọn vật liệu cho từng bộ phận của mạch điện tử (ví dụ, các đoạn dây sẽ nằm trong lớp kim lođược đưa ra trong một mạch CMOS) và chính xác nơi nào mà từng bộ phận sẽ được đặt trong sơ đồ vật lý thực tếvật lý sẽ được chuyển trực tiếp thành các sơ đồ mặt nạ cho mạch điện tử.Miền cấu trúcnằm giữa miền vật lý và hành vi. Nócung cấp một giao diện giữa các chức năng đã được định rõ trong miền ứng xử, không quan tâm đến tính chất hìnhcác tính chất hình học được định rõ trong miền vật lý, không quan tâm đến chức năng. Ví dụ, trong miền trung gichúng ta có thể thực hiện việc tối ưu hóa hợp lý và tối thiểu hóa trạng thái. Một biểu đồ là một ví dụ của miêu tả cnhiên, không phải tất cả các đặc tính của mạch điện tử có thể được gói gọn hoàn toàn trong một quan sát đơn lẻ. Vchúng ta thay đổi kích thước vật lý của một dây, chúng ta chắc chắn sẽ tác động đến sự định thời, là một thuộc tính Nguyên lý gói gọn đương nhiên dẫn đến việc phát triển thuộc tính tri thức rộng tức là các thư viện của các thành ptạp hơn để có thể được các nhà phát triển hệ thống dùng như là “các hộp đen”.

2

HÌNH 13.1Qui trình thiết kế sản phẩm (A: công nghệ hoàn thiện, B:công nghệ chưa hoàn thiện)

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 3/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

HÌNH 13.2 Phân loại cho sự phát triển thành phần (“mức và quan sát”): (a) phân loại VLSI chuẩ(b) phân loại từng phần cho các thành phần MEMS

Các mô hình được phát triển tốt cho những phần tửcơ bản mô tả rõ ràng các ảnh hưởng do những thayđổi trong thiết kế, quá trình sản xuất hay môi trườngVí dụ, trong [10], các thừa số trong các phương trìnhcơ bản bậc nhất cho I ds, dòng điện drain-source trongmột transistor NMOS, có thể được chia rõ ràng thànhcác phần dưới sự điều khiển của nhà thiết kế (W/L, tlệ chiều rộng/chiều dài cho kênh transistor), phụ thuộcquá trình chế tạo (ε, hằng số điện môi của chất cách lycổng, vàt ox, độ dày của chất cách ly cổng), phụ thuộcvào các hệ số môi trường (V ds và V gs, tương ứng làđiện áp drain-source và điện áp gate-source và đó làmột hàm của cả quá trình chế tạo và môi trường ( μ làđộ linh hoạt bề mặt hiệu dụng của các vật mang tronkênh, vàV t là điện áp ngưỡng). Thông tin chi tiết hơnvề việc mô hình hóa MOSFET có thể được tìm thấytrong [11]. Việc nhận dạng các tham số cơ bản trongmột giai đoạn của qui trình phát triển có thể có giá trílớn trong các giai đoạn khác. Ví dụ, kích thước đặctrưng nhỏ nhất λ của một công nghệ cho trước có thểđược dùng để phát triển một tập các “qui tắc thiết kế biểu diễn những chồng chéo và khoảng cách bắt buộccho các vật liệu khác nhau. Sau đó, một công cụ thiết

kế được phát triển để “bắt tuân theo” các qui tắc này, và các kết quả có thể được dùng để đơn giản hóa tới một mđó, các giai đoạn mô hình hóa và mô phỏng. Tham số λ cũng có thể được dùng để biểu diễn các tác động do việc chithang(scaling) khi việc chia thang có hiệu lực.

HÌNH 13.3Kiến trúc thiết bị logic khả trình chung

Các công cụ hoàn thiện cho thiết kế và mô phỏng đã tiến triển qua rất nhiều thế hệ và với nhiều phiên bản cóvừa phải đang sẵn có từ nhiều nguồn khác nhau. Ví dụ, nhiều công cụ hiện nay kết hợp các phiên bản của công cMAGIC [12] và bộ mô phỏng SPICE (Simulation Program with Integarated Circuit Emphasis – Chương trình mô ptập trung vào mạch tích hợp), cả hai đều được bắt đầu phát triển ở Trương đại học California, Berkeley. Các phiên bộ mô phỏng SPICE hỗ trợ một vài mô hình thiết bị (ví dụ, hiện nay có hơn sáu mô hình MOS khác nhau và năm mđường truyền khác nhau), vì thế một nhà phát triển có thể chọn mức độ chi tiết của thiết bị thích hợp với nhiệm vCác phiên bản giá thấp hoặc miễn phí của cả MAGIC và SPICE, cũng như các phiên bản mở rộng của cả 2 côngluôn sẵn có khắp nơi. Nhiều kỹ thuật khác nhau, như đóng thùng mô hình (các mô hình tối ưu cho các phạm vị cụtham số mô hình) và gồm cả thông tin qui trình dạng độc quyền sở hữu và sử dụng, được thuê để tạo ra các mô hìquả mô phỏng tốt hơn, đặc biệt trong phiên bản HSPICE của SPICE và trong các phiên bản cuối cùng của các côn[11].

3

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 4/13

Sổ tay Cơ điện tử

Các hệ thống phát triển tích hợp sẵn có khắp nơi và cung cấp hỗ trợ cho một loạt các mức và quan sát, các thành phần mở rộng, các giao diện thân thiện với người dùng và trợ giúp trực tuyến cũng như sử chuyển đổi tự đcác miền, cùng với việc kiểm tra lỗi và các ràng buộc. Trong một hệ thống phát triển VLSI tích hợp, các mô hìnhmô phỏng và các bộ dịch phức tạp giữ đường đi thông tin mạch điện tử cho nhiều mức và quan sát, trong khi cho p phát triển tập trung vào một mức hay quan sát tại một thời điểm. Nhiều hệ thống phát triển ngày nay cũng hỗ trmức trừu tượng hóa cao hơn, các ngôn ngữ “lập trình” có cấu trúc như VHDL (Very Large Scale Integrated CHardware Description Language – Ngôn ngữ mô tả phân cứng mạch tích hợp mật độ rất lớn) [14,15] hay Verilog [1

HÌNH 13.4Các mức trừu tượng – bộ cộng bán phần

Một nhà phát triển mạch số có rất nhiều lựa chọn, phụ thuộc vào các ràng buộc thực thi, số lượng các đơn vị xuất, giá thành mong muốn, thời gian phát triển có giá trị, v.v.. Tại một thái cực, nhà thiết kế có thể lựa chọn phát tmạch “tùy thích”, tạo các hình học hóa sơ đồ, sắp xếp các bộ dịch đơn lẻ, mô hình hóa các hiệu ứng RC trong các d biệt, và duyệt các lựa chọn thiết kế thông qua các mô phỏng dựa trên SPICE mức thấp mở rộng. Tại một thái cựcnhà phát triển có thể chọn sản xuất một PLD (Programmable Logic Device – Thiết bị logic khả trình) với một hình hcơ bản định trước bao gồm các tế bào kết hợp logic khả trình và lưu trữ (Hình 13.3) có thể kết nối như được cần các tính chất chức năng thiết bị mong muốn. Một PLD cuối cùng có thể chứa tới 100.000 (100 K) tế bào tương tự hình 13.3 và một 100 K byte bổ sung của bộ nhớ RAM (Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên). Trohệ thống phát triển tích hợp, như được đưa ra bởi [17] và [18], nhà thiết kế đi vào thiết kế trong hoặc dạng biểu đồngữ cấp cao, và sau đó thiết kế được “biên dịch” tự động và ánh xạ tới hình học PLD, và các bộ mô phỏng định thờinăng có thể được chạy. Nếu kết quả mô phỏng có khả năng chấp nhận được, một PLD thực sự sau đó có thể đượtrực tiếp, như một bước xa hơn trong qui trình phát triển, và thậm chí được kiểm tra, trong mức độ nào đó, với một tmẫu giống như dữ liệu được dùng trong bước mô phỏng. Việc “tạo mẫunhanh” này [19] cho việc sản xuất một “chip” có thể không khác mấy so với việc sản xuất của một chương trình pđang hoạt động (và PLD có thể được lập trình lại nếu tính chức năng khác được yêu cầu sau đó). Dĩ nhiên, một hệ nhiều ràng buộc trên các thiết kế có thể thực hiện được. Thêm vào đó, các bước tự động, dựa vào kinh nghiệm hơnthuật chính xác để tìm các lời giải chấp nhận được cho nhiều vấn đề phức tạp về mặt tính toán cần được giải quytrình phát triển, hy sinh việc thực hiện cho sự thỏa mái trong phát triển, vì thế một hệ thống được thiết kế như thế bao giờ đạt được khả năng tốt nhất có thể cho một công nghệ đã có. Tuy nhiên, sự thỏa hiệp tốt nhất giữa sự thỏasử dụng, thời gian phát triển ngắn hơn, và sự quản lý nhiều các phần tử mạch điện tử đơn lẻ hơn có thể nếu mỗi plẻ được đưa tới khả năng tối ưu của nó. Thêm vào đó, nếu một ngôn ngữ bậc cao được dùng cho đầu vào, một thiế

nhận được có thể được chuyển, với một vài thay đổi, thành một hệ thống thiết kế mạnh hơn cho phép thực thi trcông nghệ linh hoạt và sự điều chỉnh mịn bổ sung cho khả năng của mạch điện tử. Trong hình 13.4 chúng ta thấy mộtrừu tượng hóa hiện diện như là một qui trình phát triển, với mức thấp nhất mô tả các mô hình transistor và mức camột mô tả VHDL của một bộ cộng bán phần.

4

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 5/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

13.3 Sự phát triển mạch tín hiệu tương tự và hỗn hợp: mô hình hóa và mô phỏng với kíchthước cỡ micro (hoặc nano) và đầu vào, đầu ra và các tín hiệu hỗn hợp tương tự và số

Tại mức thấp nhất, các mạch số thực tế là các các thiết bị tương tự. Ví dụ, một bộ biến đổi CMOS không “chulập tức từ một mức điện áp biểu diễn bit 0 sang mức điện áp biểu diễn bit 1. Tuy nhiên, bằng việc thiết kế kỹ lưỡtrúc vật lý của bộ biến đổi, có thể tạo ra thời gian chuyển từ khoảng đầu ra điện áp được coi là “0” tới khoảng đượngắn tới mức chấp nhận được. Ví dụ, trong các MOSFET, hai tín hiệu rời rạc cần quan tâm có thể được nhận

transistor, được mô hình như một công tắc “đóng” hoặc “mở”, và “sự chuyển mạch” từ trạng thái này sang trạng tháthể bỏ qua ngoại trừ tại các mức thấp nhất của trừu tượng hóa. Trong nhiều công việc mô phỏng và thiết kế, cáctương tự trong hành vi của mạch số vì thế có thể được bỏ qua. Chỉ tại mức trừu tượng hóa thấp hơn là các thuộc tíncủa các thiết bị VLSI hay các hiệu ứng lượng tử diễn ra chẳng hạn trong một MOSFET cần được lấy trong tính tcách lý tưởng bởi các công cụ phát triển tự động mạnh được cung cấp bởi các mô hình chi tiết. Tại các mức cao hơnnày có thể được gói gọn và biểu diễn thành các dạng lần ngắt lớn nhất và nhỏ nhất đối với tải dung tính đã cho vđiện áp đã biết. Tuy nhiên, thậm chí trong các hệ thống số khi các kích thước đặc trưng cỡ nửa micro trở nên phổ bđược quan tâm hơn có thể bị trả giá bằng các hiệu ứng tương tự. Ví dụ, tại các kích thước đặc trưng nhỏ, trễ đườnghiệu ứng RC và sự xuyên âm gần đường dây trở thành các nhân tố có ý nghĩa hơn trong việc đạt được các kết quả mtốt [20]. Để cung cấp thông tin nhằm kiểm tra các nền tảng mô phỏng cho các hệ thống số có thể được mở rộng tíncác nhân tố này.

Nói chung, các thiết bị mạch tương tự có vẻ thích hợp để “làm thủ công” hơn là các thiết bị số. Các bộ mô phỏnvà giống SPICE thường được dùng để đo khả năng tại các mức của các transistor, điện trở, tụ điện và điện dung. tầm quan trọng ngày càng lớn của tín toán di động và không dây, một thỏa thuận lớn trong việc thiết kế tương tự đanvấn đề làm thế nào để tạo ra các mạch điện tử (số, tương tự, và hỗn hợp) có “công suất thấp”, và các mô phỏng ch bị được dùng trong các mạch này sẽ phụ thuộc phần lớn vào những mô hình sẵn có phổ biến cho transistor, đườnv.v.., như vậy gói gọn các hành vi mức thấp nhất.

Chúng ta cùng kiểm tra các nhân tố được được đề cập ở trên cho sự thành công của việc mô phỏng và phát triểnsố để nhìn ra cách so sánh với miền tương tự. Chúng ta giả thiết một chu trình phát triển tương tự như hình 13.1.

Có một tập các phần tử mạch cơ bản không? Trong miền tương tự, có thể nhận thấy các tập thành phầnhình ảnh dòng điện, op-amps, v.v.. Tuy nhiên, không có một cổng “phổ biến” hay một tập các cổng mà từ đó tất cả bị khác có thể được tạo ra, như thấy trong miền số. Một nhân tố phức tạp khác là các phần tử mạch tương tự cơ bđược xác định trong các giới hạn của khả năng vật lý. Không có khái niệm rõ ràng của hành vi 0/1. Do các tín hiệu tlà liên tục nên khó khăn để gỡ rối các hành vi mạch phức tạp và thực hiện các mô phỏng có ý nghĩa mà ở đó sự chia số rõ ràng sẽ cho các kết quả rõ ràng. Khi một thiết kế mạch hoặc thiết bị tương tự cơ bản được phát triển, qui trìncác mô phỏng nhằm chọn các giá trị tham số chính xác sẽ được biết đến như là “khám phá không gian thiết kế”. Qui đòi hỏi độ phức tạp tính toán cao. Các phương pháp khám phá phổ biến nhưsimulated annealing, mạng nơ-ron, hay một thuậttoán tiến hóa có thể được dùng để thực hiện một cách hiệu quả sự tìm kiếm cần thiết [21].

Có hay không một tập các công nghệ dễ hiểu? Trong miền này, tín hiệu hỗn hợp và tương tự là tương tự vsố. Nhiều hoạt động phát triển tương tự tập trung vào một vài công nghệ tham số hóa chuẩn và tốt. Nói chung, cátương tự có nhiều ảnh hưởng tới các thay đổi trong các tham số quá trình hơn, và cái đó phải được tính đến trong mtương tự. Các công nghệ thống kê nhằm mô hình sự thay đổi quá trình cần được tính đến, ví dụ, trong công cụ APLđã cung cấp các thiết kế và mô phỏng hướng đối tượng cho các mạch tương tự. Các phương pháp mô phỏng và môhợp với các mô hình xác suất, sẽ dần trở nên quan trọng khi các thiết bị cỡ nano trở nên phổ biến và khi các công n phụ thuộc vào các hiệu ứng lượng tử và các tính toán dựa trên sinh học được phát triển. Ví dụ, một vài nỗ lực hiệntập trung vào phát triển một bộ mô phỏng “BIOSPICE”, có thể kết hợp nhiều hơn hành vi hệ thống ngẫu nhiên [23].

Có hay không một cơ sở hạ tầng giáo dục tiên tiến và các tiện ích tạo mẫu? Tất cả các tổ chức hỗ trợ sự

và tạo mẫu trong miền số [3-7] cũng cung cấp hỗ trợ tương tự cho thiết kế hỗn hợp và tương tự.Có phải sự tóm lược và trừu tượng hóa được sử dụng rộng rãi? Trong những năm gần đây, một sự thỏa th

của tiến trình được tạo ra sự kết hợp chặt chẽ giữa các hệ thống thiết kế hỗn hợp và tương tự. Sự sẵn có rộng rãi ctính rất mạnh dùng để thực hiện các nhiệm vụ thiết kế và mô phỏng cần thiết trong khoảng thời gian hợp lý giúptrình trở nên hiện thực. Ví dụ, trong [24], các phương pháp điều chỉnh ràng buộc, top-down được mô tả, và trong [2 phương pháp tạo mẫu nhanh cho việc tổng hợp các hệ thống hỗn hợp và tương tự, dựa trên gói công cụ VASE (mtổng hợp VHDL-AMS), được giải thích. Các phương pháp này dựa vào sự phân loại tương tự như trong hệ thống số13.2(a).

Có hay không các mô hình tiên tiến, các công cụ thuần thục, và các hệ thống phát triển tích hợp sẵn có?miền tương tự, vẫn còn nhiều việc để làm trong các phần này hơn là trong miền số, nhưng các mẫu đã tồn tại. Cngôn ngữ VHDL và Verilog được mở rộng nhằm tính đến các thành phần hỗn hợp và tương tự. Sự mở rộng của VHVDHL-AMS [14], sẽ cho phép bổ sung bất cứ phương trình vi phân đại số hay thông thường trong một mô phỏng. Tu

không tồn tại một bộ mô phỏng VHDL-AMS dạng hàm số hoàn toàn, mặc dù đã có một phiên bản dạng mở, baonhiều tính năng hữu ích, có trong [26] và nhiều phiên bản thương mại cũng đang được phát triển (thí dụ, [27]). Do nay, các phiên bản mở rộng của MAGIC và SPICE vẫn là các công cụ mô phỏng và thiết kế được dùng rộng rãi nhấkhi có một số nỗ lực nhằm phát triển các hệ thống thiết kế với các thiết bị có thể định cấu hình tương tự như các

5

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 6/13

Sổ tay Cơ điện tử

được thấy trên hình 13.3, chúng vẫn có những thành công đáng kể. Hiện nay, người ta tập trung nhiều hơn vào sự pdựa trên thành phần với việc dùng lại thiết kế cho SOC (các hệ thống trên 1 chip) thông qua những sáng kiến như [28

13.4 Các kỹ thuật cơ bản và các công cụ sẵn có cho mô hình hóa và mô phỏng MEMSTrước khi cố gắng trả lời câu hỏi trên đối với MEMS, chúng ta cần có một cái nhìn cụ thể về các công cụ và kỹ

nhà thiết kế MEMS đã có sẵn cho các nhiệm vụ mô hình hóa và mô phỏng. Như đã chỉ ra trong [29,30], dòng cuối c

trong bất cứ một bộ mô phỏng nào, tất cả các mô hình không được tạo ra như nhau. Nhà phát triển phải rất rõ ràng tham số cần quan tâm nhất và sau đó phải chọn các mô hình và kỹ thuật mô phỏng (bao gồm cả sự thực thi trong mmột số công cụ) mang lại các giá trị chính xác nhất cho những tham số này với tổng thời gian mô phỏng nhỏ nhất. Vhình được dùng để xác định hành vi tĩnh có thể khác với mô hình được dùng cho việc xác định đầy đủ hình vi độngcần thiết phải có một loạt các mô hình và kỹ thuật sẵn có.

Các kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng cơ bảnChúng ta cần theo các lựa chọn dưới đây:

Dạng hành vi chúng ta quan tâm là gì? Ví dụ, các bộ mô phỏng IC thường hỗ trợ phân tích hoạt động DCtích quét DC (các giá trị nguồn điện áp hay dòng điện bậc thang) và phân tích quét tức thời (các giá trị thờ bậc thang), cùng với một vài dạng phân tích tức thời khác [30].Quá trình tính toán sẽ theo dạng biểu trưng hay dạng số?Dùng phương trình chính xác, phân tích nút hay phân tích phần tử hữu hạn là thích hợp nhất? Hiện tại, chnhững kỹ thuật được hầu hết các nhà phát triển MEMS ưa chuộng.

Để thấy được yêu cầu của các lựa chọn trên, chúng ta hãy xem một ví dụ đơn giản bao gồm các phần cơ khí và đcông xôn trên hình 13.5(a), được chế tạo bằng kim loại, polysilicon hay một hợp chất, có thể kết hợp với một tấm để hình thành một bản tụ song song. Nếu một lực cơ học hay một điện áp thay đổi được tác động lên dầm (hình một gia tốc kế hoặc một công tắc có thể được sử dụng [31]. Nếu thay vì bản mặt có thể được di chuyển về sau haythiết kế của gia tốc kế thích hợp hơn được đưa ra (hình 13.5(b2)); đó là thiết kế cơ bản của gia tốc kế Analog Dthiết bị MEMS thương mại thành công thực sự đầu tiên [32, 33]. Nếu một vài dầm được tổ hợp trong hai “lược”, biến hay cơ cấu chấp hành truyền động dạng lược được đưa ra, như trên hình 13.5(b3) [34]. Chúng ta hãy xem xét trưđơn giản nhất, như thấy trên hình 13.5(b1).

Nếu chúng ta giả thiết lực trên dầm tập trung tại điểm cuối của nó, thi chúng ta có thể dụng phương pháp trontính điện áp “kéo về”, tức là, điện áp mà tại đó các bản mặt được gom lại, hay để một bộ dừng giữ 2 bản mặt chạmChúng ta mô hình dầm như là một hệ lò xo – khối lượng – giảm chấn và tìm lực F khi chuyển sang điện áp sẽ cho giá trịchính xác xvới dầm được “kéo về”.

'' ' F mx Bx kx= + +

Ở đây khối lượng ρ =m WTL , trong đó ρ là tỷ trọng của vật liệu dầm, 3 / 12 I WT = là mô men quán tính, 33 /k EI L= , E làsuất Young của vật liệu dầm, và( )

1/ 4/ B K EI = . Phương trình sai phân tuyến tính bậc 2 có thể giải bằng phương pháp sốthu được điện áp kéo về. Trong trường hợp này, khi một biểu thức dạng kín có thể nhận được với x, tính toán dạng biểu trưngcó thể là một lựa chọn. Trong [36], có thể thấy rằng với vấn đề đơn giản này, một vài phương pháp và công cụ thưsẽ cho kết quả giống nhau như mong đợi.

HÌNH 13.5Các lựa chọn của dầm côngxôn và tụ điện dạng thanh: (a) kích thước dầm công xôn, (b) các thiết kế tụ đithanh cơ bản

Để thu được một mô hình dầm chính xác hơn, chúng ta có thể sử dụng phương pháp phân tích nút, coi dầm như lthị gồm một tập các cạnh (các “hình tượng trưng”) được liên kết với nhau tại các “nút”. Phương pháp nút giả thiết trí cân bằng tổng của tất cả các giá trị trong một vòng kín (thế năng) sẽ bằng không, và tổng của tất cả các giá trị ramột nút cho trước (động năng) cũng bằng không. Như vậy, tổng của tất cả các lực và mô men trên mỗi nút phải bằn6

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 7/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

và tổng tất cả dòng điện ra và vào một nút cho trước cũng bằng không. Dạng mô hình hóa này thỉnh thoảng được biếlà một “tham số gộp” từ các lượng như điện trở và điện dung, trong thực tế phân bố dọc theo các cạnh của đồ thị,hình thành các thành phần rời rạc. Trong lĩnh vực điện, các định luật Kirchhoff là một ví dụ cụ thể cho các qui tPhương pháp thường được áp dụng cho các phần tử điện trong các khóa hoạc phân tích mạch cơ bản này có thể đượdễ dàng vào các miền năng lượng khác bằng cách dùng các đương lượng chính xác (xem [38]). Một thảo luận toàn dthuyết phân tích nút có thể được tìm thấy trong [39]. Trong hình 13.5(a), dầm công xôn được chia thành 4 “hìnhtrưng”, các dầm con giữa các núti và i+1, i = 1, 2, 3, 4, trong đó các vị trí của nút được biểu diễn bằng( ), ,i i i x y θ và

( )1 1 1, ,i i i x y θ + + + là các tọa độ và độ dốc củai P và 1i P + . Dầm được giả thiết rằng có bề rộng không đổiW và độ dàyT , mỗidầm con được coi như một cấu trúc hai chiều tự do chuyển động trong không gian ba chiều. Trong [40], một phiên btích nút sửa đổi được dùng để phát triển các thủ tục số nhằm mô phỏng một số hành vi MEMS, bao gồm cả hành tức thời của một cơ cấu chấp hành dạng dầm điện dung. Phương pháp này cũng thêm vào các tọa độ vị tríi z và 1i z + và thaythế độ dốciθ tại mỗi nút bằng một vectơ của các độ dốc,ixθ , iyθ và iz θ cho mỗi nút sáu bậc tự do.

Do phân tích nút dựa trên các phần tử tuyến tính được biểu diễn thành cạnh trong đồ thị cơ bản nên nó không thểmô hình nhiều hiện tượng và cấu trúc phức tạp như dòng chất lỏng và hiện tượng áp điện. Thậm chí với dầm côngdầm bao gồm các lớp của hai vật liệu khác nhau (ví dụ polysilicon và kim loại), nó cũng không thể mô hình một các bằng phân tích nút. Kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn (FEA – Finite Element Analysis) phải được dùng để thay

HÌNH 13.6Phân tích nút và phân tích phần tử hữu hạn

HÌNH 13.7Dầm công xôn lý tưởng và thực tế (hình chiếu cạnh)

thế. Ví dụ, trong một số công việc tiếp theo được thấy trong [36], phân tích nút và tính toán biểu trưng cho các kết q bản giống nhau, trong khi các kết quả FEA là khá khác nhau. Phân tích phần tử hữu hạn với dầm bắt đầu bằng việc các phần tử con, như trên hình 13.5(a), tuy nhiên mỗi phần tử được coi là một đối tượng ba chiều thực sự. Các phầncần giống nhau về hình dạng, ví dụ, các phần tử “dạng gạch” lập phương và tứ diện có thể trộn lẫn với nhau. Tron phần tử lập phương có tám nút, nhiều hơn hai nút so với trước kia (hình 13.6), nên độ phức tạp tính toán sẽ tăng. Vì phát triển phần mềm máy tính hiệu quả để thực hiện FEA với một cấu trúc cho trước có thể là một nhiệm vụ khó

7

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 8/13

Sổ tay Cơ điện tử

nhiên, phương pháp có thể đưa vào bản báo cáo nhiều đặc trưng không thể lấy ra một cách tương xứng bằng phân tdụ các phần cắt dầm không thẳng hàng và kết cấu bề mặt (Hình 13.7). FEA có thể phối hợp các hành vi tĩnh, tức thờvà có thể nghiên cứu dòng nhiệt và chất lỏng, cũng như các lực điện, cơ và các lực khác, như được trình bày chi t[41]. Qui trình cơ bản như sau:

Rời rạc hóa cấu trúc hoặc khu vực quan tâm trong các phần tử hữu hạn. Chúng không cần đồng đều cả vềlẫn hình dạng. Tuy nhiên, mỗi phần tử nên được chọn sao cho có thay đổi rõ rệt về hình học và hành vi diễmột điểm bên trong.

Với mỗi phần tử, xác định các đặc tính phần tử dùng một hệ tọa độ “địa phương”. Đó sẽ là trạng thái cân bmột xấp xỉ nếu trạng thái này không được tính toán chính xác) của phần tử.Biến đổi các hệ trục tọa độ địa phương thành một hệ trục tọa độ toàn thể và “tập hợp lại” các phương trìnthành một (ma trận) phương trình.Áp đặt bất cứ ràng buộc được đưa đến bởi các bậc tự do hạn chế (ví dụ, một nút cố định trong một vấn đềGiải (thường bằng số) các biến số nút.Từ lời giải toàn cục, tính các hợp lực phần tử.

Một danh mục tài nguyên cho mô hình hóa và mô phỏng MEMSĐể sự thảo luận về toàn cảnh mô phỏng MEMS đỡ rối, chúng ta sẽ liệt kê trước một vài công cụ và sản phẩ

Danh sách này không có nghĩa là toàn bộ, tuy nhiên nó sẽ cung cấp cho chúng ta một phạm vi các cách tiếp cận để sLưu ý là danh sách này chỉ chính xác đến tháng 7/2001, trong khi cộng đồng phát triển MEMS đang phát triển trongcông ty thương mại lẫn các địa chỉ nghiên cứu đại học thường xuyên đảm nhận các yêu cầu từ đối tác và mở rộncung cấp.

A. Các công cụ sẵn có rộng rãi cho tính toán biểu trưng và số chungCác công cụ này tương đối dễ dàng để học cách sử dụng. Hầu hết các sinh viên kỹ thuật sẽ làm chủ ít nhất mộ

trước khi tốt nghiệp. Chúng có thể được dùng để mô hình một thiết bị “từ vạch xuất phát” và để thực thi các mô pgiản. Với nhiều mô phỏng phức tạp, chúng có thể không thích hợp với 2 nguyên nhân. Thứ nhất, không một công cưu để chạy các tính toán dài và phức tạp một cách hiệu quả. Thứ hai, việc phát triển các thủ tục cần thiết để thực h phức tạp hoặc phân tích phân tử hữu hạn sẽ là một nhiệm vụ tốn nhiều thời gian và trong hầu hết trường hợp chỉ tnăng sẵn có trong các công cụ khác được liệt kê dưới đây:

Mathematica [42]. Trong [36] các kết quả mô phỏng Mathematica cho một hệ dầm điện dung công xôn đưsánh với các kết quả từ một vài công cụ khác.Matlab (được tích hợp với Maple) [43]. Ví dụ, trong [44], các mô phỏng Matlab được đưa ra cho thấy các tốt với nhiều loại tham số cho các thành phần hệ vi chất lỏng.

B. Các công cụ mới được phát triển cho các phạm vi năng lượng đặc biệtCác phiên bản giá thấp, dễ sử dụng của các công cụ này (như SPICE, ANSYS) luôn sẵn có. Các hiện tượng từ c

vi năng lượng khác có thể được mô hình bằng cách biến đổi phạm vi.SPICE (mạch tương tự) [13]. SPICE là chuẩn trên thực tế cho các bộ mô phỏng mạch tương tự. Nó cũndùng để hỗ trợ mô phỏng các transistor và các thành phần khác của hệ thống số. SPICE thực thi các phươnsố cho phân tích nút. Một số tác giả đã dùng SPICE để mô phỏng hành vi MEMS trong các miền năng lượnVí dụ, trong [35], phương trình chuyển động của lò xo giảm chấn dùng để tính toán điện áp kéo được bthành miền điện và thu được độ chính xác mô phỏng hợp lý. Trong [45], hành vi nhiệt ở trạng thái ổn định cảm biến tốc độ luồng được mô phỏng bằng cách chia thiết bị được mô hình thành “các viên gạch” 3 chhình mỗi viên gạch thành một tập các điện trở nhiệt, và biến đổi cấu trúc thu được và các phương trìnhthành các đương lượng điện.APLAC [22]. Bộ mô phỏng sỗ hỗn tạp và tương tự hướng đối tượng này kết hợp các chương trình cho phình thống kê sự thay đổi quá trình.VHDL-AMS [14, 26, 27]. Ngôn ngữ VHDL-AMS được thiết kế để hỗ trợ mô phỏng tín hiệu số, tương tự vhợp thực tế hỗ trợ mô phỏng bằng các phương trình vi phân toàn phần và đại số tổng quát. Như vậy, mmiền năng lượng trộn lẫn có thể được thực hiện. VHDL-AMS thường được xây dựng trên lõi SPICE dùng phân tích nút. Một số mô hình MEMS VHDL-AMS đã được phát triển (xem ví dụ [46, 47]). Thông tin thêVHDL-AMS có trong [48].ANSYS [49]. Phiên bản cho sinh viên của phần mềm ANSYS cơ bản luôn sẵn có. ANSYS hiện nay đang

đối tác của MemsPro (xem bên dưới). ANSYS mô hình cả hiện tượng cơ học lẫn chất lỏng dùng các kỹ thuMột tổng quan về sáng kiến ANSYS MEMS có thể tìm thấy trong [50].Phần mềm CFD [51]. Phần mềm này, cũng dùng FEA, đã được phát triển để mô hình dòng chất lỏng và hiệnhiệt.

8

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 9/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

C. Các công cụ phát triển riêng cho MEMSCác công cụ trong mục này dùng các kỹ thuật đơn giản khác nhau để cung cấp các mô phỏng MEMS chính xác

không dùng tất cả các tính toán trên của FEA.SUGAR [40, 52]. Gói miễn phí này được xây dựng dựa trên lõi Matlab. Nó dùng phân tích nút và phân tích núđổi để mô hình các phần tử cơ và điện. Các phần tử cơ phải được xây dựng từ một tập các thành phần cốgồm các dầm và khe hở.

NODAS v 1.4 [53]. Công cụ có thể tải được này cung cấp một thư viện các thành phần được tham số hókhối bản, mấu neo, truyền động dạng lược tĩnh điện ngang và dọc, và khe hở tĩnh điện ngang) có thể kếnhau để hình thành các hệ thống MEMS. Công cụ này tạo ra các tham số có thể được dùng để thực thi c phỏng điện-cơ với bộ mô phỏng Saber [27]. Một ví dụ được thấy trong [54], và mô tả về hoạt động của(cho v 1.3) trong [53]. Thông tin thêm xem trong [70].

D. “Siêu công cụ” cố gắng tích hợp hai hoặc nhiều công cụ riêng cho từng miền vào trong một góiMEMCAD, hiện đang được hỗ trợ bởi hãng Coventor [56]. Sản phẩm này trước đó được hỗ trợ bởi tậMicrocosm. Nó cung cấp khả năng mô phỏng cấp thấp bằng cách tích hợp các công cụ FEA riêng cho từntrong một gói để hỗ trợ các mô phỏng ở miền năng lượng kép.MemsPro [58], hiện đang liên kết với ANSYS. MemsPro là một sản phẩm của công ty Tanner Tool [59], bađược biết đến như là một phiên bản của MAGIC [12], có thể chạy trên các máy PC. Hệ thống MemsPro cu

các khả năng thiết kế và mô phỏng tích hợp. Qui trình “các qui tắc thiết kế” có thể được người dùng địnKhả năng mô phỏng của SPICE được tích hợp trong bộ công cụ và file dữ liệu dùng với ANSYS cũng có thtạo ra. MemsPro không thực sự đúng với việc ghép miền năng lượng tại thời điểm này. Một số thành phần cũng sẵn có.

E. Các tài nguyên hữu ích khácTrang web MEMS Clearinghouse [60]. Trang web này chứa các đường dẫn về các sản phẩm, nhóm nghiên cthông tin hội nghị. Một đường dẫn hữu ích khác là dữ liệu Material Properties, gồm các kết quả từ một slớn thực nghiệm của nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau. Thông tin về bộ cơ sở dữ liệu này có thể được dcác tính toán “phía sau vỏ bọc” ban đầu cho tính khả thi cấu thành.Trang web Cronos [62]. Công ty này cung cấp nguyên mẫu và cách chế tạo ở mức sản xuất cho tất cả 3 cácận xử lý (vi gia công bề mặt, vi gia công khối, và vi gia công tỷ lệ tập trung cao). Nó cũng đang dùng thử

dựng một thư viện các thành phần MEMS cho cả vi gia công bề mặt (MUMPS, hoặc Multi-User MEMS P[63]) và vi gia công khối.

13.5 Mô hình và mô phỏng MEMS; các hệ thống cỡ micro (hoặc nano); đầu vào, đầu ravà tín hiệu hỗn hợp tương tự và số; hiện tượng hai và ba chiều; cộng gộp và tương tácủa đa miền và các kỹ thuật

Trong phần trước, chúng ta đã mô tả ngắn gọn về toàn cảnh hiện nay trong mô hình và mô phỏng trong cả mitương tự. Khi các công cụ số được phát triển nhiều hơn thì trong cả miền số và tương tự, tồn tại các kỹ thuật chuẩncông cụ chuẩn sẵn có, và các chương trình đào tạo và chế thử ổn định. Trong lĩnh vực MEMS nhiều phức tạp, điều được đáp ứng. Chúng ta cùng so sánh từng điểm giữa MEMS và các mạch số và tương tự.

Tồn tại hay không một tập nhỏ các thành phần cơ bản? Câu trả lời cho câu hỏi này rõ ràng là không. Các

khác nhau đã được các nhà nghiên cứu tạo ra để phát triển các tập các khối xây dựng cơ bản, bắt đầu với dạng của Petersen về một tập các thành phần cơ bản bao gồm dầm, màng, lỗ, rãnh, và khớp nối [64]. Hầunỗ lực này tập trung vào việc thêm các phần tử cơ học hoặc cơ-điện. Ví dụ, trong hệ thống SUGAR, các ph bản là là dầm và khe hở tĩnh điện. Trong công cụ Carnegie Mellon MEMSYN [65], được hỗ trợ bởi bộ mô NODAS, các phần tử cơ bản gồm dầm và khe hở, cũng như các khối tấm phẳng, mấu, và truyền động dtĩnh điện (ngang và dọc). Với qui trình MUMPS, đó là Thư viện phần tử cơ điện tử thống nhất (CaMEL) bcả cơ sở dữ liệu phần tử phi tham số và một thư viện các phần tử tham số (có thể được truy cập thông quatạo” thành phần nhưng không được truy cập trực tiếp bởi người dùng). CaMEL hỗ trợ việc tạo một tập giớthành phần, gồm các động cơ và bộ cộng hưởng, trong một công nghệ gia công bề mặt cố định. Nhưng yếu với MEMS là không một tập hợp các khối xây dựng cơ bản được xác định có thể hỗ trợ tất cả các trong nhiều miền năng lượng và kỹ thuật khác nhau được các nhà nghiên cứu dùng để xây dựng. Hơn nữacó sự nhất trí về cách giới hạn hiệu quả các lựa chọn thiết kế sao cho một tập cơ bản có thể được xác địvào đó, bản chất liên tục của hầu hết các hành vi MEMS biểu thị các loại trở ngại giống nhau như các tương tự. Tuy nhiên, sự phát triển của các thư viện thành phần cấp cao hơn là một lĩnh vực khá tích cANSYS, CFD, MEMCAD, Carnegie Mellon, và MemsPro, tất cả đều cung cấp các thư viện thành phần đượkế và thử nghiệm trước cho các hệ thống mà người thiết kế có thể dùng. Hầu hết các thành phần này nằmiền cơ-điện. Như đã đề cập ở trên, một vài mô hình VHDL-AMS cũng sẵn có, nhưng chúng sẽ không có

9

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 10/13

Sổ tay Cơ điện tử

thực tế đến khi các bộ mô phỏng VHDL-AMS đầy đủ và bền vững được phát triển và nhiều kết quả thựccó thể thu được thông qua các mô hình này.Có hay không một tập nhỏ các công nghệ chuyên sâu? Một lần nữa câu trả lời là không. Hầu như tất cả csố và tương tự có bản chất hai chiều, nhưng trong trường hợp của MEMS, nhiều thiết kế có thể phát trtrong công nghệ “2,5 chiều có tên là vi gia công hoặc trong công nghệ ba chiều thực sự có tên là vi gia côngVì vậy, trước khi thực hiện bất kì một mô hình hay mô phỏng nào, nhà thiết kế MEMS trước tiên phải chọchỉ trong các công nghệ chế tạo rất khác nhau mà trong các qui trình thực tế. Ví dụ, cả hai công cụ Ca

Mellon và Cronos đều được dựa trên các qui trình được phát triển song song giữa các công cụ. MOSIS chođạt được công nghệ có thể làm được tất cả trừ bước cuối cùng của vi gia công bề mặt, nhưng không mchính có sẵn đối với cộng đồng các nhà nghiên cứu MEMS nói chung. Với vi gia công bề mặt, thực tế là blý cuối cùng được thực hiện trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu độc lập là một vấn đề đối với việc đkết quả thực nghiệm lặp lại. Với các ví dụ vi gia công khối, chế tạo trong các phòng thí nghiệm nghiên được ưa chuộng hơn trong môi trường sản xuất do yêu cầu về tiêu chuẩn và sự chuẩn hóa các qui trình khối rất khó thực hiện. Thêm vào đó, do phần lớn các công việc MEMS có khối lượng khá nhỏ nên hầu hếtrình không đủ khả năng mô tả mô hình cấp thấp một cách hiệu quả. Trong hoàn cảnh như vậy, khó có thểmô tả qui trình hợp lý để xây dựng các mô hình bền vững.Có hay không một cơ sở hạ tầng đào tạo phát triển và các điều kiện chế thử thuận lợi? Một lần nữa câu không. Đặc biệt, các khóa học mở đầu về MEMS thường thích nhấn mạch các kỹ thuật chế tạo hơn mô hìnmô phỏng. [66] có mô tả một bộ các mô đun giảng dạy cho một khóa MEMS nhấn mạnh thiết kế và mô phhợp. Tuy nhiên, khóa học này yêu cầu sử dụng các thiết bị được chế tạo trước cho các kết quả thiết k phỏng hợp lý, hơn là đòi hỏi các sinh viên hoàn thành chuỗi thiết kế - mô phỏng - thử nghiệm - chế tạo hotrong ba tháng hoặc một học kỳ. Thêm vào đó, việc cần các khóa thực tập sản xuất tốt làm nó khó có thể cusự hỗ trợ cần thiết cho đào tạo đa ngành mà MEMS yêu cầu.Sự tóm lược và trừu tượng hóa có được sử dụng rộng rãi? Trong những năm 1980, nhiều nhà nghiên cứu tđa cấp trừu tượng không hữu ích cho các thiết bị MEMS. Tuy nhiên hiện nay, khái niệm “các mô hình macrotrung gian đã nhân được nhiều sự hỗ trợ [57, 70], và việc nhấn mạnh một cách tăng dần đang được áp dụcác mô hình macro phát triển cho các thành phần MEMS sẽ là một phần của hệ thống lớn hơn. Thêm vàomột số hệ thống đang phát triển dựa trên các tập thành phần cơ bản. Tuy nhiên, phương pháp phát triển nàđược coi là tiêu chuẩn trong hệ lớn hơn bởi vì các tập khả năng cố hữu bên trong MEMS nói chung. Tron13.2(b), chúng ta được thấy một sự phân loại từng phần của MEMS tương ứng với sự phân loại các thitrong hình 13.2(a). Tại điểm này, có thể thấy rõ về số lượng tối ưu các cấp trừu tượng cho MEMS. Tro13.8, chúng ta đã thử phân loại một số công cụ từ phần 13.4 về mặt khả năng hỗ trợ của chúng cho những

nhau (do chúng là các bộ mô phỏng nên tất cả đều được hỗ trợ cái nhìn “hành vi”). Chú ý rằng, VHDL-Acông cụ duy nhất, bên cạnh Mathematica và Matlab với mục đích thông thường, cung cấp một cái nhìn cấpMEMS.

HÌNH 13.8Các công cụ mô phỏng MEMS sẵn có hiện nay, theo cấp và quan sát

Có sẵn hay không các mô hình được phát triển tốt, các công cụ thuần thục, và các hệ thống phát triển tícTrong khi các hệ thống như này hiện nay không tồn tại, có thể dự đoán rằng một số ví dụ có thể trở nên sẽvòng mười năm tới [57].

13.6 Một “công thức” mô phỏng MEMS thành công

Một công thức hữu ích mang tính định hướng cho các mô phỏng tương tự có thể tìm thấy trong [67]. Từ đó, chúnthể xây dựng một tập các chỉ dẫn cho mô phỏng MEMS.1. Hãy chắc chắn rằng bạn có sự truy cập tới các kiến thức chuyên sâu trong phạm vi cần thiết cho tất cả

năng lượng quan tâm trước khi nhận dự án.10

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 11/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

2. Không bao giờ dùng một bộ mô phỏng trừ khi chúng ta biết trước phạm vi kết quả.3. Không bao giờ mô phỏng nhiều về hệ thống hơn những gì cần thiết.4. Luôn dùng các mô hình đơn giản nhất cho công việc của mình5. Dùng bộ mô phỏng chính xác như chúng ta có thể làm trong thực nghiệm6. Dùng thủ tục riêng cho việc thăm dò không gian thiết kế. Trong hầu hết trường hợp, điều đó có nghĩa là

nên thay đổi một tham số trong một thời điểm.

7. Hiểu bộ mô phỏng mà bạn đang dùng và tất cả các lựa chọn có sẵn.8. Dùng các bộ nhân đúng cho tất cả các lượng.9. Dùng chiều chung10. So sánh các kết quả của bạn với thực nghiệm và làm cho chúng trở nên sẵn có trong cộng đồng MEMS11. Cần nhạy với khả năng của các hiệu ứng cỡ micro làm cho kết quả của bạn sai lệch

Điểm cuối cùng là đặc biệt quan trọng. Nhiều hiệu ứng không có tại các kích thước đặc trưng lớn hơn sẽ cần xem xét tại cấp độ micro. Ví dụ, ở cỡ micro, luồng chất lỏng có thể chạy theo nhiều cách đột ngột khác nhau [44]. hiệu ứng khác khi kích thước đặc trưng giảm xuống cấp độ micro, bao gồm một phân tích tại sao các cơ cấu chấp công xôn ngang lại tốt hơn các cơ cấu chấp hành dầm công xôn đứng, được miêu tả trong chương 9 của [68]. Chươcủa [68] cũng cung cấp thông tin quan trọng cho mô hình và mô phỏng cấp thấp.

13.7 Kết luận: Sự phát triển liên tục của mô hình hóa và mô phỏng MEMSTrong 15 năm trước đây, nhiều quá trình phát triển được hình thành nhằm cung cấp cho những nhà thiết kế MEM

mô phỏng và các công cụ khác nhằm giúp họ có khả năng tạo MEMS một cách hữu ích và rộng khắp như mong đ[64]. Trong khi còn nhiều việc cần phải làm, tương lai này vẫn sáng sủa cho công nghệ linh hoạt và mạnh mẽ này. Mnhững thách thức chính còn lại trong mô hình hóa và mô phỏng là nhằm hoàn thành sự thiết kế và phát triển của mngữ mô tả MEMS cấp cao, song song với việc hỗ trợ các mô hình và bộ mô phỏng nhằm tăng tốc chế thử và nhăm một ngôn ngữ thân thiện phổ biến cho các nhà thiết kế. Một ứng cử viên cho ngôn ngữ như thế là VHDL-AMS. Trngười ta đã mô tả điểm mạnh và điểm yếu của VHDL-AMS với tư cách là một công cụ cho phát triển MEMS. Điể bao gồm khả năng nắm bắt của hành vi rời rạc lẫn liên tục, chuyển tiếp uyển chuyển giữa các cấp trừu tượng hóavận dụng cả các hệ duy trì lẫn không duy trì, và khả năng nạp mã từ các ngôn ngữ khác. Nhược điểm chính bao gồlực trong việc thực hiện tính toán biểu trưng, sự giới hạn với các phương trình vi phân toàn phần, ít sự hỗ trợ ch phỏng miền tần số, và sự bất lực trong việc chuyển đổi đơn vị tự động. Nó vẫn giữ nguyên dù VHDL-AMS cuốđược mở rộng để làm cho nó thích hợp hơn nhằm hỗ trợ miền MEMS. Tuy nhiên, gần như VHDL-AMS hay một số tương tự sẽ được dùng và đánh giá cao một cách rộng rãi trong cộng đồng MEMS.

Tài liệu tham khảo[1] Kielkowski, R.M.,SPICE: Practical Device Modeling,McGraw-Hill, 1995.[2] Leong, S.K., Extracting MOSFET RF SPICE models,http://www.polyfet.com/MTT98.pdf (accessed July 20, 2001).[3] http://www.mosis.edu(accessed July 20, 2001).[4] http://cmp.imag.fr (accessed July 20, 2001).[5] http://www.imec.be/europractice/europractice.html(accessed July 20, 2001).[6] http://www.vdec.u-tokyo.ac.jp/English(accessed July 20, 2001).[7] http://www.cmc.ca(accessed July 20, 2001).[8] Mead, C. and Conway, L., Introduction to VLSI Systems,Addison-Wesley, 1980.[9] Gajski, D. and Thomas, D., Introduction to silicon compilation, inSilicon Compilation,D. Gajski, Ed., Addison-

Wesley, 1988, 1–48.[10] Weste, N. and Esraghian, K., Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective,2nd ed., Addison-Wesley,

1993.[11] Foty, D.,MOSFET Modeling with SPICE,Prentice Hall, 1997.[12] http://www.research.compaq.com/wrl/projects/magic/magic.html(accessed July 20, 2001).[13] http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE(accessed July 20, 2001).[14] Design Automation Standards Committee, IEEE Computer Society, IEEE VHDL Standard Language Reference

Manual (Integrated with VHDL-AMS Changes),Standard 1076.1, IEEE, 1997.[15] Ashenden, P.,The Designer’s Guide to VHDL, 2nd ed.,Morgan Kauffman, 2001.[16] Bhasker, J., A Verilog HDL Primer,2nd ed., Star Galaxy Pub., 1999.[17] http://www.altera.com(accessed July 20, 2001).[18] http://www.xilinx.com(accessed July 20, 2001).

11

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 12/13

Sổ tay Cơ điện tử

[19] Hamblen, J.O. and Furman, M.D., Rapid Prototyping of Digital Systems, A Tutorial Approach,Kluwer, 1999.[20] Uyemura, J.P., Introduction to VLSI Circuits and Systems,John Wiley & Sons, Inc., 2002.[21] Sobecks, B., Performance Modeling of Analog Circuits via Neural Networks: The Design Process View, Ph

Dissertation, University of Cincinnati, 1998.[22] http://www.aplac.hut.fi(accessed July 20, 2001).[23] Weiss, R., Homsy, G., and Knight, T., Towardin vivodigital circuits,http://www.swiss.ai.mit.edu/~rweiss/bio-

programming/dimacs99-evocomp-talk/(accessed July 20, 2001).[24] Chang, H., Charbon, E., Choudhury, U., Demir, A., Liu, Felt E., Malavasi, E., Sangiovanni-Vincentelli, A., Char

E., and Vassiliou, I., A Top-down, Constraint-Driven Design Methodology for Analog Integrated Circuits,Kluwer Academic Publishers, 1996.

[25] Ganesan, S., Synthesis and Rapid Prototyping of Analog and Mixed Signal Systems, Ph.D. Dissertation, UniversiCincinnati, 2001.

[26] SEAMS simulator project, University of Cincinnati ECECS Department, Distributed Processing Laborathttp://www.ececs.uc.edu/~hcarter (accessed July 20, 2001).

[27] http://www.analogy.com/products/Simulation/simulation.htm#Saber (accessed July 20, 2001).[28] www.design-reuse.com(accessed July 20, 2001).[29] S. M. Sandler and Analytical Engineering Inc.,The SPICE Handbook of 50 Basic Circuits,

http://dacafe.ibsystems.com/DACafe/EDATools/EDAbooks/SpiceHandBook (accessed July 20, 2001).[30] Kielkowski, R.M., Inside Spice,2nd ed., McGraw Hill, 1998.[31] Gibson, D., Hare, A., Beyette, F., Jr., and Purdy, C., Design automation of MEMS systems using behavioral mode

Proc. Ninth Great Lakes Symposium on VLSI,Ann Arbor Mich. (Eds. R.J. Lomax and P. Mazumder), March 1999, pp.266–269.

[32] http://www.analog.com/industry/iMEMS(accessed July 20, 2001).[33] http://www-ccrma.stanford.edu/CCRMA/Courses/252/sensors/node6.html(accessed July 20, 2001).[34] Tang, W., Electrostatic Comb Drive for Resonant Sensor and Actuator Applications, Ph.D. Dissertation, UC Berk

1990.[35] Lo, N.R., Berg, E.C., Quakkelaar, S.R., Simon, J.N., Tachiki, M., Lee, H.-J., and Pister, S.J., Parameterized la

synthesis, extraction, and SPICE simulation for MEMS, ISCAS 96,May 1996, pp. 481–484.[36] Gibson, D., and Purdy, C.N., Extracting behavioral data from physical descriptions of MEMS for simulation, Analog

Integrated Circuits and Signal Processing 20,1999, pp. 227–238.[37] Hayt, W.H., Jr. and Kemmerly, J.E., Engineering Circuit Analysis,5th ed., McGraw-Hill, 1993, pp. 88–95.[38] Dewey, A., Hanna, J., Hillman, B., Dussault, H., Fedder, G., Christen, E., Bakalar, K., Carter, H., and Romanow

B., VHDL-AMS Modeling Considerations and Styles for Composite Systems, Version 2.http://www.ee.duke.edu/research/IMPACT/documents/model_g.pdf (accessed July 20, 2001).

[39] McCalla, W.J., Fundamentals of Computer-Aided Circuit Simulation,Kluwer Academic, 1988.[40] Clark, J.V., Zhou, N., and Pister, K.S.J., Modified nodal analysis for MEMS with multi-energy domains, International

Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, Semiconductors, Sensors and Actuators,San Diego, CA,March 27–29, 2000, pp. 31–34.

[41] Stasa, F.L., Applied Finite Element Analysis for Engineers,Holt, Rinehart and Winston, 1985.[42] http://www.wolfram.com/products/mathematica(accessed July 20, 2001).

[43] http://www.mathworks.com/products/matlab(accessed July 20, 2001).[44] Mehta, A., Design and Control Oriented Approach to the Modeling of Microfluidic System Components, M.S. Th

University of Cincinnati, 1999.[45] Swart, N., Nathan, A., Shams, M., and Parameswaran, M., Numerical optimisation of flow-rate microsensors u

circuit simulation tools,Transducers ’91,1991, pp. 26–29.[46] http://www.ee.duke.edu/research/IMPACT/vhdl-ams/index.html(accessed July 20, 2001).[47] Gibson, D., Carter, H., and Purdy, C., The use of hardware description languages in the development

microelectromechanical systems, International Journal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing,28(2),August 2001, pp. 173–180.

[48] http://www.vhdl-ams.com/(accessed July 20, 2001).[49] http://www.ansys.com/action/MEMSinitiative/index.htm(accessed July 20, 2001).

[50] http://www.ansys.com/action/pdf/MEMS_WP.pdf (accessed July 20, 2001).[51] http://www.cfdrc.com(accessed July 20, 2001).[52] Pister, K., SUGAR V2.0,http://www-bsac.EECS.Berkeley.edu/~cfm/mainpage.html(accessed July 20, 2001).

12

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 13- Mo Phong Vi CDien

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-13-mo-phong-vi-cdien 13/13

Mô hình hóa và mô phỏng hệ vi cơ điện tử (MEMs)

[53] http://www.ece.cmu.edu/~mems/projects/memsyn/nodasv1_4/index.shtml(accessed July 20, 2001).[54] http://www2.ece.cmu.edu/~mems/projects/memsyn/nodasv1_4/tutorial.html(accessed July 20, 2001).[55] Jing, Q. and Fedder, G.K., NODAS 1.3-nodal design of actuators and sensors, IEEE/VIUF International Workshop on

Bahavioral Modeling and Simulation,Orlando, Fla., October 27–28, 1998.[56] http://www.coventor.com/software/coventorware/index.html(accessed July 20, 2001).[57] Senturia, S.D., Simulation and design of microsystems: a 10-year perspective,Sensors and Actuators A,67, 1998, pp.

1–7.[58] www.memscap.com/index2.html(accessed July 20, 2001).[59] http://www.tanner.com/(accessed July 20, 2001).[60] http://mems.isi.edu(accessed July 20, 2001).[61] http://mems.isi.edu/mems/materials/index.html(accessed July 20, 2001).[62] http://www.memsrus.com(accessed July 20, 2001).[63] http://www.memsrus.com/cronos/svcsmumps.html(accessed July 20, 2001).[64] Petersen, K., Silicon as a mechanical material, IEEE Proceedings,70(5), May 1982, pp. 420–457.[65] http://www.ece.cmu.edu/~mems/projects/memsyn/index.shtml(accessed July 20, 2001).[66] Beyette, F., Jr. and C.N. Purdy, Teaching modules for a class in mechatronics, European Workshop on

Microelectronics Education (EWME2000),May 2000.[67] Allen, P.E. and Holberg, D.R.,CMOS Analog Circuit Design,Oxford University Press, 1987, pp. 142–144.[68] Madou, M., Fundamentals of Microfabrication,CRC Press, Boca Raton, FL, 1997.[69] Gibson, D. and Purdy, C., The strengths and weaknesses of VHDL-AMS as a tool for MEMS development, w

paper, 2000, http://www.ececs.uc.edu/~cpurdy/csl.html/pub.html/weakvhdl.pdf (accessed July 20, 2001).[70] Mukherjee, T. and Fedder, G.K., Hierarchical mixed-domain circuit simulation, synthesis and extraction methodo

for MEMS, Journal of VLSI Signal Processing,21, 1999, pp. 233–249.

13