传统MEMS-IC 设计方法和验证的机构化方法介绍
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。电子电路要么独立于mems，要么和mems 在一个裸片中嵌入到模拟/混合信号集成电路中。mems 设计通常需要一个使用三维机械cad 和有限元工具来进行功能验证的专家团队；而 ic 设计是通过eda 工具，如cadence virtuoso 客户设计环境，来实现。传统上，mems 设计人员手工制作了verilog-a 模型以便放入到ic 设计中去。这些手工制作的模型往往过于简单，而且非参数化。此外，创建这些模型相当费时，并需要专门知识。随着来自于消费电子行业的市场拉动朝着更多功能、更低成本和更快的推向市场时间迈进，传统设计方法的缺点日益明显。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。
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。
mems 产品通常由至少两组专家参与设计：mems 设计师和ic 设计师。mems设计者通常是博士级的专家，他们使用自己的二维和三维机械cad 工具设计输入，用有限元分析（fea）工具做模拟。ic 设计师，独特的第二小组，依靠定制的ic 设计和仿真环境，如cadence virtuoso。他们在virtuoso 示意图编辑器中创建电子产品的示意图，然后在virtuoso spectre或ultrasim 电路模拟器中模拟行为。
当然，鉴于mems 和ic 必须共同发挥作用，ic 设计师需要一个mems 的行为模型，并将其插入到他们的示意图设计中。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。
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。这种传统方法有很多缺点。首先，费时，且需要专业知识。由于该方法是手工的，每次mems 设计更改，一些步骤就要随之重复。其次，手工制作的模型，简单来说，并不能完全捕获mems 器件的复杂行为。例如，相对与实际器件的六个自由度——3 个平移（x，y 和z）和3 个旋转，这些模型往往局限于一个机械自由度。比如，对于一个多轴加速度计模型，可能只有一个方向的运动被捕捉到，而与其他方向运动可能不利的耦合则被忽略。第三，手工模型不能就加工工艺或几何变量实现参数化。过度简化和缺乏参数化限制了ic 设计人员优化他们的设计。相反，模拟电路可能会设计保守，导致更高的能耗。此外，手工制作模型的局限性使得难以核实边角情况和调查加工的效应，他们都可能影响整个系统
的性能。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。同时，ic 设计师可以在一个示意图中添加mems 器件，正如添加其他任何模拟或数字元件一样。mems 行为模型的参数可能包括加工变量，诸如材料性能和尺寸的变化，以及设计的几何属性。据预计，这些模型的复杂性和准确性，使得无论是mems-ic 的性能还是产量的设计优化都可以实现。
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参考模型输入新的3d mems 设计平台，mems+。mems+与cadence virtuoso 配合使用提供了一个结构化mems-ic 设计流程样例，可帮助mems 设计和ic 设计的自动化连接。mems+还通过与mathworks 的matlab simulink集成，支持功能或算法级设计。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中。
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mems 产品通常由至少两组专家参与设计：mems 设计师和ic 设计师。mems设计者通常是博士级的专家，他们使用自己的二维和三维机械cad 工具设计输入，用有限元分析（fea）工具做模拟。ic 设计师，独特的第二小组，依靠定制的ic 设计和仿真环境，如cadence virtuoso。他们在virtuoso 示意图编辑器中创建电子产品的示意图，然后在virtuoso spectre或ultrasim 电路模拟器中模拟行为。
当然，鉴于mems 和ic 必须共同发挥作用，ic 设计师需要一个mems 的行为模型，并将其插入到他们的示意图设计中。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。
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。这种传统方法有很多缺点。首先，费时，且需要专业知识。由于该方法是手工的，每次mems 设计更改，一些步骤就要随之重复。其次，手工制作的模型，简单来说，并不能完全捕获mems 器件的复杂行为。例如，相对与实际器件的六个自由度——3 个平移（x，y 和z）和3 个旋转，这些模型往往局限于一个机械自由度。比如，对于一个多轴加速度计模型，可能只有一个方向的运动被捕捉到，而与其他方向运动可能不利的耦合则被忽略。第三，手工模型不能就加工工艺或几何变量实现参数化。过度简化和缺乏参数化限制了ic 设计人员优化他们的设计。相反，模拟电路可能会设计保守，导致更高的能耗。此外，手工制作模型的局限性使得难以核实边角情况和调查加工的效应，他们都可能影响整个系统
的性能。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。同时，ic 设计师可以在一个示意图中添加mems 器件，正如添加其他任何模拟或数字元件一样。mems 行为模型的参数可能包括加工变量，诸如材料性能和尺寸的变化，以及设计的几何属性。据预计，这些模型的复杂性和准确性，使得无论是mems-ic 的性能还是产量的设计优化都可以实现。
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