微机电系统集成设计方法与实现技术分析

范方贵

（中铁环境科技工程有限公司，湖南 长沙 410218）

0 引 言

微机电系统是一种先进的智能化系统，在社会领域中的应用也非常广泛。而微机电系统本身也具有一定的复杂性，在微机电系统设计过程中，要包含物理学、光学、化学、机械工程以及半导体等多个专业，这就导致微机电系统设计非常困难。在我国，对于微机电系统的设计研究还存在一定的问题，影响了微机电系统的应用和发展。

1 微机电系统研究具体背景

微机电系统是一种新型的机电信息系统，它的研究对于我国微型技术的发展有非常重要的作用。目前，发达国家对于MEMS的设计研究已经取得了一定程度的进步，对于MEMS技术设计工具的研究已经成功，开始着手对整个设计工程进行研究，但是我国的大部分科研单位对MEMS技术的设计研究还停留在初始阶段。

2 微机电系统相关内容

2.1 微机电系统概述

微机电系统英文缩写为MEMS，是一种尺寸非常小的一种高科技系统。微机电系统以及内部构件都是用微米甚至是纳米作为计量单位[1]。微机电系统是一个独立存在的智能化系统，由传感器、动作器以及微能源三个部分组成。微机电系统的设计与应用是一次新的技术革命。目前，微机电系统已经广泛应用到电子、医学、工业以及军事等领域、微机电系统化缩小了传统电子系统的尺寸，却加强了电子系统的能力，具有着良好的发展前景。所以，现阶段微机电系统的设计与研究，是各个国家都在进行的重点科研项目。

2.2 微机电系统的特点

微机电系统的设计研发是一项重要的技术突破，也引领了微型技术和电子技术的融合。与传统机电系统相比，微机电系统具有如下3种特点。第一，微机电系统具有微型化特点，微机电系统主体以及三大组件体积都非常小，重量轻。这样的特点使微机电系统在运行中谐振频率高，响应时间短，能够提升系统的工作效率。第二，微机电系统是以硅作为主要材料，强度硬度与铁相似，而密度于铝材料相近，导热性能也比较高，所以电气性能更加优良。第三，微机电系统生产过程中可以采用硅微加工技术，本身装置也少，所以可以进行批量生产[2]。

2.3 系统框架

微机电系统集成设计有着多视图和多层次的设计特点[3]。其中多视图设计是要求在微机电系统设计中要考虑到系统运行的多种角度，保证系统设计方法合理性，这样设计的系统性能更加优越。微机电系统的多视图设计要从如下3个方面进行。第一，从微机电产品的使用生命周期的角度出发，对微机电产品样式、生产过程以及组织活动进行相关的设计，包括数据图表设计、实体模型设计等。第二，从微机电系统的功能角度出发，对其进行设计。微机电系统的功能性即是系统的实用性，对其实用性的设计也是设计的根本目的。微机电系统功能相对复杂，所包含的设计模块也比较多，如微传感器、微执行器以及检测电路等模块。这些模块在设计过程中，一定要以系统的功能性为设计目标，使各器件机构和系统功能有效的结合。第三，从微机电系统的涉及领域角度进行设计，微机电设计研究需要多种学科知识相互配合进行。

微机电系统设计的多层次指的是系统设计的复杂过程，微机电系统设计流程分为系统设计、器件设计以及工艺设计三个方面。根据三个阶层的设计方案的先后顺序来确定是自顶而下方法还是自底而上方法。

其中自顶而下的设计方法是从设计目标的顶层开始，依次对目标的系统、器件和整体工艺进行设计[4]。 自顶向下的设计方法能够在设计过程中对系统操作性进行良好的控制，强调整体把控设计，减少不必要的细节设计，使设计更加简单。自顶向下的设计方法将集成设计方法的优势融入其中。在设计中考虑到了微机电系统设计加工、封装测试等因素，随后对设计过程进行自顶向下的分解，做到了集成和分解相互结合，使微机电系统设计更加合理。

2.4 自顶向下设计流程

在微机电系统设计中，使用自顶向下的设计方法能够有效完成集成设计，也能做到设计环节的相互分解，保证了微机电设计的合理性，也让微机电系统具有更多的功能。微机电系统自顶向下的设计流程主要包括系统设计、器件设计以及工艺设计三个部分。通过三个部分的分解设计，按照一定的顺序来完成微机电系统的整体设计。首先是系统设计环节。系统设计环节中要充分考虑到产品用户的需求，对系统的整体性能和功能进行确定。系统设计环节要做好产品概念设计、制定初步设计方案，为下一步的设计工作打好基础。其次是器件设计。器件设计过程中，要利用好系统的实体模型，对系统实体模型的物理特性进行研究，按照物理特性的要求，对系统上的器件进行优化设计。在器件设计过程中，可以对系统的设计进行仿真实验，以验证系统设计方案是否合理。最后，工艺设计内容主要包括版图设计和工艺流程设计，工艺设计也是自顶向下设计方法的最后一部分。

3 关键技术

在微机电系统设计过程中，要应用到很多关键技术，保证设计工作能够良好运行。（1）混合信号建模仿真技术。在微机电系统设计过程中对系统组织结构的仿真分析非常重要[5]。应用混合信号仿真技术可以对微机电系统组成的机械量和电量进行具体的描述，也能够利用图形符号对微机电系统的结构组成进行表达，从而让设计者能够更加形象的了解到系统组织结构，完成微机电系统的分析和仿真。（2）数模电路设计及仿真技术。微机电系统接收到信号之后接口电路会对信号进行信息处理并执行信号指示。所以对于微机电系统设计中要重视起接口电路的设计和仿真。接口接收的信号非常小，自身引起的电容变化也比较小，所以在接口电路设计中要应用到数模电路仿真技术，对接口电路进行必要的处理，方便设计。（3）多学科优化技术。在微机电系统设计中要应用多学科优化技术将微机电设计中涉及到的各学科知识融合在一起，并且进行设计和优化。利用各学科之间的优势和特点来找到最方便、最科学、最实用的设计方案。此外，优化学科知识也是保证设计的合理性，通过器件设计知识优化，为工艺设计流程提供参考，从而使微机电系统的整体设计更加合理[6]。（4）宏模型技术。有限元方法是描述器件行为的有效方法，但是有限元方法并不适用于微机电系统设计，因为微机电系统设计微机电器件的有限元模型更多，也更复杂。而利用宏模型技术通过提取器件宏模型可对器件行为做出更加精准的描述。（5）三维实体到二维版图转换技术。传统设计中，使用二维掩模版图技术对系统器件进行设计，往往不能够直接的表达出版图的结构特征。而如果将器件的组织结构以三维实体模型展现出来，将会让设计者更加直观的了解到器件结构特性，从而提高设计的合理性。目前，三维实体与二维版图技术的应用将会良好的解决这一问题。（6）工艺可视化技术与加工仿真技术。以往的微细加工大部分都是平面工艺，对于设计的表达不够直观。而将虚拟现实技术和三维实体技术相结合应用到微细加工中，可以将加工结果可视化，再经过三维建模技术得到器件的实体模型。利用工艺可视技术建立的三维实体模型分为两种类别，一种是真实物理行为的器件几何模型，另一种是通过加工工艺粗略的建立的几何模型。（7）参数化元件库技术。自顶向下设计流程包含的设计部分很多，每个设计部分都有不同的设计人员，设计人员的设计目标也不同。利用参数化元件库技术，可以做到实体模型和数据共享，保证各个设计部分都能协调配合，使设计结构形成整体性。

4 结 论

本文对微机电系统的相关内容、关键技术等进行了介绍，以供参考。