支持MEMS系统级设计的仿真器研究

论文摘要

MEMS已由功能单一的微器件向由微机械和接口电路等构成功能更加复杂的集成化微系统方向发展，这给MEMS设计者提出了越来越高的要求，也使得MEMS设计方法和设计工具研究成为国际上MEMS研究的重点。其中，MEMS系统级的快速建模与仿真分析是缩短MEMS设计周期、降低设计成本的重要手段。 本文选取标准语言VHDL-AMS来进行MEMS系统级建模，研究了VHDL-AMS语言模拟部分的主要扩展语义，以及利用这些扩展语义来实现各类MEMS系统级建模方法，并通过一个MEMS微梁的例子说明了基于VHDL-AMS语言的MEMS系统级建模流程；基于国产ZeniVDE仿真器，研究了混合信号仿真器实现机理，其中包括基于VHDL-AMS语言的数学模型提取、模拟解算器的一般求解流程和求解算法，为支持MEMS系统级仿真器的开发和完善打下基础；最后通过梳齿谐振器和微加速度计在ZeniVDE上的仿真实现，验证了基于VHDL-AMS语言的MEMS系统级建模方法和仿真器的可行性和有效性。 应用IEEE标准的VHDL-AMS语言作为MEMS系统级建模语言可以增强模型的开放性、可扩展性，VHDL-AMS语言能力的强大也为建模提供了方便。同时，开发具有我国自主知识产权、支持MEMS系统级仿真的仿真器，对打破国外对MEMS计算机辅助设计软件的垄断，降低MEMS设计成本有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS系统级设计与仿真器
• 1.1.1 MEMS系统级设计简介
• 1.1.2 仿真器在MEMS系统级设计中的作用
• 1.2 数/模混合信号仿真器国内外现状
• 1.3 ZeniVDE仿真器
• 1.4 课题来源及本论文的研究内容
• 第二章 基于VHDL-AMS语言的MEMS系统级建模
• 2.1 VHDL-AMS语言模拟扩展部分的基本语义
• 2.1.1 量（quantity）
• 2.1.2 端口（terminal）
• 2.1.3 性质（nature）
• 2.1.4 联立语句
• 2.1.5 ZeniVDE中的库
• 2.2 基于 VHDL-AMS语言的MEMS系统级建模方式
• 2.2.1 守恒系统建模
• 2.2.2 非守恒系统建模
• 2.2.3 频域交流和噪声建模
• 2.2.4 基于 VHDL-AMS语言的系统建模
• 2.3 基于 VHDL-AMS语言的MEMS建模实例
• 2.3.1 微梁模型的建立
• 2.3.2 梁模型的组件编码
• 2.3.3 梁系统模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 模拟解算器的实现
• 3.1 仿真器总体求解流程
• 3.2 基于 VHDL-AMS语言的模型确立
• 3.2.1 跳动的小球模型
• 3.2.2 显式集
• 3.2.3 结构集
• 3.2.4 增广集
• 3.2.5 中断集
• 3.3 系统方程组的可解性
• 3.4 模拟解算器的求解流程
• 3.4.1 微分代数方程组数值解法
• 3.4.2 非线性代数方程组数值解法
• 3.4.3 线性代数方程组数值解法
• 3.5 本章小结
• 第四章 MEMS系统级仿真的软件实现及验证
• 4 1 ZeniVDE仿真器
• 4.2 仿真及验证
• 4.2.1 梳齿谐振器宏模型的仿真及验证
• 4.2.2 微加速度计模型仿真及验证
• 4.3 仿真结果及仿真器性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表论文
• 参加科研项目情况
• 致谢
• 附录
• 附录 A:梳齿谐振器设计参数
• 附录 B:梳齿谐振器模型
• 附录 C:力源模型
• 附录 D:微梁模型
• 附录 E:质量块、梳齿、锚点的实体描述