微機電系統(tǒng)集成設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)分析

范方貴

（中鐵環(huán)境科技工程有限公司，湖南 長沙 410218）

0 引 言

微機電系統(tǒng)是一種先進的智能化系統(tǒng)，在社會領(lǐng)域中的應(yīng)用也非常廣泛。而微機電系統(tǒng)本身也具有一定的復(fù)雜性，在微機電系統(tǒng)設(shè)計過程中，要包含物理學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、機械工程以及半導(dǎo)體等多個專業(yè)，這就導(dǎo)致微機電系統(tǒng)設(shè)計非常困難。在我國，對于微機電系統(tǒng)的設(shè)計研究還存在一定的問題，影響了微機電系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 微機電系統(tǒng)研究具體背景

微機電系統(tǒng)是一種新型的機電信息系統(tǒng)，它的研究對于我國微型技術(shù)的發(fā)展有非常重要的作用。目前，發(fā)達國家對于MEMS的設(shè)計研究已經(jīng)取得了一定程度的進步，對于MEMS技術(shù)設(shè)計工具的研究已經(jīng)成功，開始著手對整個設(shè)計工程進行研究，但是我國的大部分科研單位對MEMS技術(shù)的設(shè)計研究還停留在初始階段。

2 微機電系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容

2.1 微機電系統(tǒng)概述

微機電系統(tǒng)英文縮寫為MEMS，是一種尺寸非常小的一種高科技系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)以及內(nèi)部構(gòu)件都是用微米甚至是納米作為計量單位[1]。微機電系統(tǒng)是一個獨立存在的智能化系統(tǒng)，由傳感器、動作器以及微能源三個部分組成。微機電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用是一次新的技術(shù)革命。目前，微機電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及軍事等領(lǐng)域、微機電系統(tǒng)化縮小了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的尺寸，卻加強了電子系統(tǒng)的能力，具有著良好的發(fā)展前景。所以，現(xiàn)階段微機電系統(tǒng)的設(shè)計與研究，是各個國家都在進行的重點科研項目。

2.2 微機電系統(tǒng)的特點

微機電系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)是一項重要的技術(shù)突破，也引領(lǐng)了微型技術(shù)和電子技術(shù)的融合。與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)相比，微機電系統(tǒng)具有如下3種特點。第一，微機電系統(tǒng)具有微型化特點，微機電系統(tǒng)主體以及三大組件體積都非常小，重量輕。這樣的特點使微機電系統(tǒng)在運行中諧振頻率高，響應(yīng)時間短，能夠提升系統(tǒng)的工作效率。第二，微機電系統(tǒng)是以硅作為主要材料，強度硬度與鐵相似，而密度于鋁材料相近，導(dǎo)熱性能也比較高，所以電氣性能更加優(yōu)良。第三，微機電系統(tǒng)生產(chǎn)過程中可以采用硅微加工技術(shù)，本身裝置也少，所以可以進行批量生產(chǎn)[2]。

2.3 系統(tǒng)框架

微機電系統(tǒng)集成設(shè)計有著多視圖和多層次的設(shè)計特點[3]。其中多視圖設(shè)計是要求在微機電系統(tǒng)設(shè)計中要考慮到系統(tǒng)運行的多種角度，保證系統(tǒng)設(shè)計方法合理性，這樣設(shè)計的系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。微機電系統(tǒng)的多視圖設(shè)計要從如下3個方面進行。第一，從微機電產(chǎn)品的使用生命周期的角度出發(fā)，對微機電產(chǎn)品樣式、生產(chǎn)過程以及組織活動進行相關(guān)的設(shè)計，包括數(shù)據(jù)圖表設(shè)計、實體模型設(shè)計等。第二，從微機電系統(tǒng)的功能角度出發(fā)，對其進行設(shè)計。微機電系統(tǒng)的功能性即是系統(tǒng)的實用性，對其實用性的設(shè)計也是設(shè)計的根本目的。微機電系統(tǒng)功能相對復(fù)雜，所包含的設(shè)計模塊也比較多，如微傳感器、微執(zhí)行器以及檢測電路等模塊。這些模塊在設(shè)計過程中，一定要以系統(tǒng)的功能性為設(shè)計目標，使各器件機構(gòu)和系統(tǒng)功能有效的結(jié)合。第三，從微機電系統(tǒng)的涉及領(lǐng)域角度進行設(shè)計，微機電設(shè)計研究需要多種學(xué)科知識相互配合進行。

微機電系統(tǒng)設(shè)計的多層次指的是系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜過程，微機電系統(tǒng)設(shè)計流程分為系統(tǒng)設(shè)計、器件設(shè)計以及工藝設(shè)計三個方面。根據(jù)三個階層的設(shè)計方案的先后順序來確定是自頂而下方法還是自底而上方法。

其中自頂而下的設(shè)計方法是從設(shè)計目標的頂層開始，依次對目標的系統(tǒng)、器件和整體工藝進行設(shè)計[4]。 自頂向下的設(shè)計方法能夠在設(shè)計過程中對系統(tǒng)操作性進行良好的控制，強調(diào)整體把控設(shè)計，減少不必要的細節(jié)設(shè)計，使設(shè)計更加簡單。自頂向下的設(shè)計方法將集成設(shè)計方法的優(yōu)勢融入其中。在設(shè)計中考慮到了微機電系統(tǒng)設(shè)計加工、封裝測試等因素，隨后對設(shè)計過程進行自頂向下的分解，做到了集成和分解相互結(jié)合，使微機電系統(tǒng)設(shè)計更加合理。

2.4 自頂向下設(shè)計流程

在微機電系統(tǒng)設(shè)計中，使用自頂向下的設(shè)計方法能夠有效完成集成設(shè)計，也能做到設(shè)計環(huán)節(jié)的相互分解，保證了微機電設(shè)計的合理性，也讓微機電系統(tǒng)具有更多的功能。微機電系統(tǒng)自頂向下的設(shè)計流程主要包括系統(tǒng)設(shè)計、器件設(shè)計以及工藝設(shè)計三個部分。通過三個部分的分解設(shè)計，按照一定的順序來完成微機電系統(tǒng)的整體設(shè)計。首先是系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中要充分考慮到產(chǎn)品用戶的需求，對系統(tǒng)的整體性能和功能進行確定。系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)要做好產(chǎn)品概念設(shè)計、制定初步設(shè)計方案，為下一步的設(shè)計工作打好基礎(chǔ)。其次是器件設(shè)計。器件設(shè)計過程中，要利用好系統(tǒng)的實體模型，對系統(tǒng)實體模型的物理特性進行研究，按照物理特性的要求，對系統(tǒng)上的器件進行優(yōu)化設(shè)計。在器件設(shè)計過程中，可以對系統(tǒng)的設(shè)計進行仿真實驗，以驗證系統(tǒng)設(shè)計方案是否合理。最后，工藝設(shè)計內(nèi)容主要包括版圖設(shè)計和工藝流程設(shè)計，工藝設(shè)計也是自頂向下設(shè)計方法的最后一部分。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在微機電系統(tǒng)設(shè)計過程中，要應(yīng)用到很多關(guān)鍵技術(shù)，保證設(shè)計工作能夠良好運行。（1）混合信號建模仿真技術(shù)。在微機電系統(tǒng)設(shè)計過程中對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的仿真分析非常重要[5]。應(yīng)用混合信號仿真技術(shù)可以對微機電系統(tǒng)組成的機械量和電量進行具體的描述，也能夠利用圖形符號對微機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成進行表達，從而讓設(shè)計者能夠更加形象的了解到系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，完成微機電系統(tǒng)的分析和仿真。（2）數(shù)模電路設(shè)計及仿真技術(shù)。微機電系統(tǒng)接收到信號之后接口電路會對信號進行信息處理并執(zhí)行信號指示。所以對于微機電系統(tǒng)設(shè)計中要重視起接口電路的設(shè)計和仿真。接口接收的信號非常小，自身引起的電容變化也比較小，所以在接口電路設(shè)計中要應(yīng)用到數(shù)模電路仿真技術(shù)，對接口電路進行必要的處理，方便設(shè)計。（3）多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)。在微機電系統(tǒng)設(shè)計中要應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)將微機電設(shè)計中涉及到的各學(xué)科知識融合在一起，并且進行設(shè)計和優(yōu)化。利用各學(xué)科之間的優(yōu)勢和特點來找到最方便、最科學(xué)、最實用的設(shè)計方案。此外，優(yōu)化學(xué)科知識也是保證設(shè)計的合理性，通過器件設(shè)計知識優(yōu)化，為工藝設(shè)計流程提供參考，從而使微機電系統(tǒng)的整體設(shè)計更加合理[6]。（4）宏模型技術(shù)。有限元方法是描述器件行為的有效方法，但是有限元方法并不適用于微機電系統(tǒng)設(shè)計，因為微機電系統(tǒng)設(shè)計微機電器件的有限元模型更多，也更復(fù)雜。而利用宏模型技術(shù)通過提取器件宏模型可對器件行為做出更加精準的描述。（5）三維實體到二維版圖轉(zhuǎn)換技術(shù)。傳統(tǒng)設(shè)計中，使用二維掩模版圖技術(shù)對系統(tǒng)器件進行設(shè)計，往往不能夠直接的表達出版圖的結(jié)構(gòu)特征。而如果將器件的組織結(jié)構(gòu)以三維實體模型展現(xiàn)出來，將會讓設(shè)計者更加直觀的了解到器件結(jié)構(gòu)特性，從而提高設(shè)計的合理性。目前，三維實體與二維版圖技術(shù)的應(yīng)用將會良好的解決這一問題。（6）工藝可視化技術(shù)與加工仿真技術(shù)。以往的微細加工大部分都是平面工藝，對于設(shè)計的表達不夠直觀。而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維實體技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到微細加工中，可以將加工結(jié)果可視化，再經(jīng)過三維建模技術(shù)得到器件的實體模型。利用工藝可視技術(shù)建立的三維實體模型分為兩種類別，一種是真實物理行為的器件幾何模型，另一種是通過加工工藝粗略的建立的幾何模型。（7）參數(shù)化元件庫技術(shù)。自頂向下設(shè)計流程包含的設(shè)計部分很多，每個設(shè)計部分都有不同的設(shè)計人員，設(shè)計人員的設(shè)計目標也不同。利用參數(shù)化元件庫技術(shù)，可以做到實體模型和數(shù)據(jù)共享，保證各個設(shè)計部分都能協(xié)調(diào)配合，使設(shè)計結(jié)構(gòu)形成整體性。

4 結(jié) 論

本文對微機電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)等進行了介紹，以供參考。