微機電系統集成設計方法與實現技術分析

范方貴

（中鐵環境科技工程有限公司，湖南 長沙 410218）

0 引 言

微機電系統是一種先進的智能化系統，在社會領域中的應用也非常廣泛。而微機電系統本身也具有一定的復雜性，在微機電系統設計過程中，要包含物理學、光學、化學、機械工程以及半導體等多個專業，這就導致微機電系統設計非常困難。在我國，對于微機電系統的設計研究還存在一定的問題，影響了微機電系統的應用和發展。

1 微機電系統研究具體背景

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

2 微機電系統相關內容

2.1 微機電系統概述

微機電系統英文縮寫為MEMS，是一種尺寸非常小的一種高科技系統。微機電系統以及內部構件都是用微米甚至是納米作為計量單位[1]。微機電系統是一個獨立存在的智能化系統，由傳感器、動作器以及微能源三個部分組成。微機電系統的設計與應用是一次新的技術革命。目前，微機電系統已經廣泛應用到電子、醫學、工業以及軍事等領域、微機電系統化縮小了傳統電子系統的尺寸，卻加強了電子系統的能力，具有著良好的發展前景。所以，現階段微機電系統的設計與研究，是各個國家都在進行的重點科研項目。

2.2 微機電系統的特點

微機電系統的設計研發是一項重要的技術突破，也引領了微型技術和電子技術的融合。與傳統機電系統相比，微機電系統具有如下3種特點。第一，微機電系統具有微型化特點，微機電系統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在運行中諧振頻率高，響應時間短，能夠提升系統的工作效率。第二，微機電系統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，導熱性能也比較高，所以電氣性能更加優良。第三，微機電系統生產過程中可以采用硅微加工技術，本身裝置也少，所以可以進行批量生產[2]。

2.3 系統框架

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

微機電系統設計的多層次指的是系統設計的復雜過程，微機電系統設計流程分為系統設計、器件設計以及工藝設計三個方面。根據三個階層的設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。

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

2.4 自頂向下設計流程

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

3 關鍵技術

在微機電系統設計過程中，要應用到很多關鍵技術，保證設計工作能夠良好運行。（1）混合信號建模仿真技術。在微機電系統設計過程中對系統組織結構的仿真分析非常重要[5]。應用混合信號仿真技術可以對微機電系統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的結構組成進行表達，從而讓設計者能夠更加形象的了解到系統組織結構，完成微機電系統的分析和仿真。（2）數模電路設計及仿真技術。微機電系統接收到信號之后接口電路會對信號進行信息處理并執行信號指示。所以對于微機電系統設計中要重視起接口電路的設計和仿真。接口接收的信號非常小，自身引起的電容變化也比較小，所以在接口電路設計中要應用到數模電路仿真技術，對接口電路進行必要的處理，方便設計。（3）多學科優化技術。在微機電系統設計中要應用多學科優化技術將微機電設計中涉及到的各學科知識融合在一起，并且進行設計和優化。利用各學科之間的優勢和特點來找到最方便、最科學、最實用的設計方案。此外，優化學科知識也是保證設計的合理性，通過器件設計知識優化，為工藝設計流程提供參考，從而使微機電系統的整體設計更加合理[6]。（4）宏模型技術。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設計，因為微機電系統設計微機電器件的有限元模型更多，也更復雜。而利用宏模型技術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換技術。傳統設計中，使用二維掩模版圖技術對系統器件進行設計，往往不能夠直接的表達出版圖的結構特征。而如果將器件的組織結構以三維實體模型展現出來，將會讓設計者更加直觀的了解到器件結構特性，從而提高設計的合理性。目前，三維實體與二維版圖技術的應用將會良好的解決這一問題。（6）工藝可視化技術與加工仿真技術。以往的微細加工大部分都是平面工藝，對于設計的表達不夠直觀。而將虛擬現實技術和三維實體技術相結合應用到微細加工中，可以將加工結果可視化，再經過三維建模技術得到器件的實體模型。利用工藝可視技術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）參數化元件庫技術。自頂向下設計流程包含的設計部分很多，每個設計部分都有不同的設計人員，設計人員的設計目標也不同。利用參數化元件庫技術，可以做到實體模型和數據共享，保證各個設計部分都能協調配合，使設計結構形成整體性。

4 結 論

本文對微機電系統的相關內容、關鍵技術等進行了介紹，以供參考。