基于降阶宏模型的MEMS系统级仿真平台研究

论文摘要

随着MEMS产业从单个的MEMS器件向MEMS系统的转移以及集成制造工艺及测试方法的深入研究,要求MEMS CAD能够对MEMS整体行为进行快速建模和仿真分析,而结构化设计思想的形成则使MEMS的设计技术得到了长足的发展。针对MEMS具有多物理场能量域耦合的特点,应用基于MEMS宏模型技术的系统级设计工具来获得整个系统的行为特性已成为研究热点。本文针对MEMS的系统级建模与仿真的快速性要求和MEMS固有的多能量域耦合的特点,研究了基于Krylov子空间投影法获取MEMS CAD中器件宏模型的方法,通过基于有限元分析软件ANSYS建立MEMS器件的初始数学模型,利用Krylov子空间降阶算法对其进行降阶获取其宏模型,最后插入到系统级仿真器里进行仿真,实现了利用数值法建立任意器件模型并进行系统仿真的过程,丰富了MEMS CAD结构化设计思想。分析了利用有限元建立器件模型进行系统级仿真存在的固有不足,提出了通过获取器件级宏模型来弥补其不足,并分析了基于解析法和数值法来获取宏模型的方法,通过比较选择了基于数值法Krylov子空间投影法提取MEMS降阶宏模型。根据MEMS CAD结构化的思想,提出并开发了MEMS DUT系统级仿真平台。整个过程以VC++6.0编译器为平台,通过对有限元软件ANSYS的开发来建立有限元器件模型,利用封装后MATLAB语言降阶算法动态链接库对MEMS器件进行降阶,获取器件宏模型,通过嵌入到系统级仿真平台仿真器Simulink对获取的宏模型进行系统级仿真,来模拟分析整个系统的动态特性。最后结合典型的单物理场结构微梁、多物理场静电耦合双端固支梁、任意器件单元的宏模型提取和硅机械特性片内集成测试结构的系统级仿真为例来说明本平台系统级仿真分析的整个流程以及在准确性和效率等方面的性能。并对降阶算法的进一步改进以及系统级仿真平台MEMS DUT进一步开发等方面问题提出了若干建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MEMS CAD的研究现状
• 1.2 MEMS建模及仿真方法
• 1.2.1 MEMS仿真建模概论
• 1.2.2 MEMS宏模型及其实现方法
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 基于Krylov子空间投影法的MEMS数值宏模型的生成
• 2.1 模型降阶的必要性
• 2.2 模型降阶的数学描述
• 2.3 基于Krylov子空间投影法获取宏模型
• 2.3.1 Krylov子空间的定义
• 2.3.2 一阶Krylov子空间法
• 2.3.3 二阶Krylov子空间法
• 2.4 本章小结
• 3 系统级仿真平台设计与实现
• 3.1 软件框架及实现流程
• 3.1.1 有限元模型建立及数据生成
• 3.1.2 系统状态方程建立及宏模型生成
• 3.1.3 宏模型输出及系统级仿真
• DUT的实现'>3.2 MEMS系统级仿真平台MEMS_DUT的实现
• 3.2.1 系统开发工具
• 3.2.2 有限元软件ANSYS的二次开发
• 3.2.3 降阶算法的实现及封装
• 3.2.4 系统级仿真模块的实现及集成
• DUT'>3.2.5 系统级仿真平台MEMs_DUT
• 3.3 本章小结
• DUT的原理及应用'>4 系统级仿真平台MEMS_DUT的原理及应用
• DUT的仿真分析'>4.1 基于器件库的系统级平台MEMS_DUT的仿真分析
• DUT应用理论概述原理'>4.1.1 系统级仿真平台MEMS_DUT应用理论概述原理
• DUT仿真平台器件库的建立及实例分析'>4.1.2 MEMS_DUT仿真平台器件库的建立及实例分析
• DUT仿真结果与ANSYS仿真结果对比分析'>4.1.3 MEMS_DUT仿真结果与ANSYS仿真结果对比分析
• DUT仿真分析'>4.2 任意MEMS器件单元的系统级平台MEMS_DUT仿真分析
• DUT仿真分析'>4.3 多物理场多器件单元的系统级平台MEMS_DUT仿真分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢