eng
Выпуск #3/2021
А. Соловьев, С. Курдюков
СОВРЕМЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭМС В СРЕДЕ CoventorMP
СОВРЕМЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭМС В СРЕДЕ CoventorMP
Просмотры: 902
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.66.71
Специализированная платформа разработки CoventorMP позволяет эффективно проектировать, оптимизировать и интегрировать МЭМС-устройства. В статье рассмотрен основной функционал, возможности системы, а также особенности инструментов MEMS+ и CoventorWare, входящих в состав CoventorMP.
Специализированная платформа разработки CoventorMP позволяет эффективно проектировать, оптимизировать и интегрировать МЭМС-устройства. В статье рассмотрен основной функционал, возможности системы, а также особенности инструментов MEMS+ и CoventorWare, входящих в состав CoventorMP.
Теги: coventormp coventorware dedicated development platform matlab simulink mems mems+ parametric model мэмс параметрическая модель специализированная платформа разработки
Современные решения для моделирования и проектирования МЭМС в среде CoventorMP
А. Соловьев , С. Курдюков
Разработка микроэлектромеханических систем (МЭМС) связана с рядом специфических проблем, таких как связь между технологией изготовления и процессом проектирования, сложность конструкции, сочетание в МЭМС-устройстве различных физических эффектов, интеграция с КМОП-схемами и особые требования к корпусированию. Инструменты проектирования общего назначения не позволяют оптимально решать эти проблемы, что приводит к срыву сроков реализации проекта и задержке выхода изделия на рынок. ЗАО «СКАН», официальный дистрибьютор компании Lam Research в России, предлагает специализированную платформу для разработки МЭМС CoventorMP, которая позволяет эффективно проектировать, оптимизировать и интегрировать МЭМС-устройства. В статье рассмотрен основной функционал, возможности системы, а также особенности инструментов MEMS+ и CoventorWare, входящих в состав CoventorMP.
Эффективность разработки МЭМС-устройства с помощью САПР зависит от правильного выбора материала конструкции, разработки корректной модели, подбора и оптимизации параметров отдельных элементов, выбора технологии и организации производства. Системы для проектирования МЭМС позволяют проводить 3D-моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и анализировать эффекты из различных областей физики (механика, электростатика, жидкостное демпфирование и т. д.).
В 2017 году компания Lam Research приобрела разработчика программного обеспечения для проектирования МЭМС – компанию Coventor, продукты которой известны в России. САПР CoventorMP представляет собой автоматизированную платформу для проектирования и моделирования МЭМС, которая обеспечивает возможность анализа физических процессов и геометрии этих устройств.
Платформа в целом позволяет проектировать устройства от схемы до топологии, включая разработку систем на основе МЭМС с использованием библиотеки материалов и процессов (рис. 1).
Интегрированная среда проектирования CoventorMP включает в себя два программных инструмента:
Инструменты MEMS+ и CoventorWare используют единую среду моделирования методом конечных элементов и поведенческие модели, но решают разные задачи.
Благодаря созданию моделей из элементов заданной формы из библиотеки MEMS+ обеспечиваются простота разработки конечных устройств (разработчик оперирует готовыми блоками) и скорость моделирования. Система проста в изучении и применении.
Использование параметрических моделей МЭМС позволяет повысить скорость автоматизированного анализа конструкции по сравнению с традиционным методом конечных элементов, а также оптимизировать конструкцию в процессе проектирования.
Такой подход позволяет создавать в MEMS+ не только МЭМС-устройства, но и системы на основе МЭМС. Для решения этих задач в MEMS+ предусмотрена возможность интеграции с системой математического моделирования MATLAB Simulink (MathWorks) или средой разработки аналоговых интегральных схем Virtuoso (Cadence Design Systems).
CoventorWare, в отличие от MEMS+, основан на стандартном подходе к проектированию МЭМС-устройств и обеспечивает разработку устройства в ручном режиме. Модель может быть создана в режиме 3D или на базе GDS-топологии и описания технологического процесса.
CoventorWare включает в себя набор алгоритмов построения сетки для генерации шестнадцатеричных ячеек, которые являются оптимальными для МЭМС-структур, обеспечивают более точный анализ в областях с высоким напряжением и для геометрий с высоким соотношением сторон, типичных для МЭМС.
Совместное использование инструментов позволяет экспортировать модели, включая свойства материалов, из MEMS+ в CoventorWare и наоборот, проводить расширенное исследование характеристик, например концентрации потенциала, создавать более точные структурные модели для MEMS+, использовать MEMS+ в качестве параметрического интерфейса для CoventorWare.
Рассмотрим более подробно особенности каждого из инструментов платформы CoventorMP.
Инструмент MEMS+
MEMS+ – специализированный программный продукт, предназначенный для проектирования МЭМС. Конечные элементы заданной формы с адаптированным разбиением сетки из библиотеки MEMS+ (рис. 2), на основе которых проектируются модели, учитывают геометрию МЭМC-устройства, в том числе углы боковых стенок, многослойность, перфорации, гребенчатые структуры. Конструкция может быть также создана из файла GDS или SAT.
На рис. 3 показана конструкция 3‑осевого гироскопа, спроектированная с использованием библиотеки MEMS+.
Моделирование созданной конструкции возможно как во встроенном симуляторе MEMS+, так и в системе математического моделирования MATLAB Simulink (MathWorks) или на платформе разработки аналоговых интегральных схем Virtuoso (Cadence Design Systems). Эти системы интегрированы с MEMS+, что делает модель мультидоменной и обеспечивает общую платформу и эффективную методологию для разработчиков МЭМС и ИС с МЭМС-структурами (рис. 4).
Модели можно передавать и в другие среды проектирования с помощью встроенного экспорта в формат Verilog или в формат моделей сокращенного порядка (ROM) с уменьшенным количеством степеней свободы и без учета нелинейной физики. Данные модели используются для импорта сложных геометрических структур и позволяют сократить время моделирования в сотни раз.
При анализе модели учитываются различные физические эффекты, используемые в МЭМС, в том числе из таких областей, как механика, электростатика, демпфирование, пьезофизика. Система позволяет выполнять моделирование переходных процессов, а также температурных режимов с учетом термомеханических эффектов. Возможно также проведение исследований влияния деформации корпуса и подложки на характеристики МЭМС-устройств.
После завершения имитационного моделирования доступна визуализация результата в 2D- или 3D-формате, которая дает возможность увидеть конструкцию в движении.
Библиотека компонентов в инструменте MEMS+ позволяет создавать индивидуальную библиотеку пользователя, адаптированную к конкретному процессу, и сохранять ее в формате mpdk. Этот файл и содержащиеся в нем компоненты доступны только для чтения и могут быть защищены паролем.
MEMS+ используется для моделирования различных типов МЭМС-устройств (рис. 5).
Инструмент прост в применении и освоении новыми пользователями. В программном пакете есть набор примеров готовых проектов, созданных в MEMS+: гироскопы, акселерометры, переключатели, микрофоны, магнитометры, сканирующие зеркала. Примеры можно использовать при создании собственных устройств для ускорения работы.
Инструмент CoventorWare
CoventorWare – набор интегрированных средств для моделирования и проектирования МЭМС. Твердотельные модели создаются на основе топологии и описания процесса (рис. 6) или импортируются из MEMS+.
В редакторе технологического процесса (рис. 7) определяется последовательность шагов процесса, то есть фактически создается «рецепт», который нужно реализовать, чтобы построить твердотельную модель. В состав модели входят свойства материалов, которые используются при проведении имитационного моделирования.
На базе 2D-модели и описания процесса автоматически генерируется 3D-модель, на которую можно наложить сетку конечных элементов.
Сетка генерируется в препроцессоре (рис. 8), где можно рассмотреть модель в разрезе, выбрать различные типы конечных элементов (блочный элемент, элемент «оболочка» или «тетраэдр», элемент поверхности). Доступен также запрос для проверки качества всех элементов. Сетка анализируется в ядре решателя конечных элементов. Решатели работают как в линейном, так и в нелинейном режиме, с поддержкой нескольких процессоров через графических интерфейс или скрипт.
В CoventorWare используется гибридный метод конечных / граничных элементов (МКЭ / МГЭ), который позволяет избежать проблем с точностью и эффективностью. Набор решающих программ CoventorWare обеспечивает быстрое физическое моделирование и позволяет выполнять следующие виды анализов:
Кроме того, в CoventorWare предусмотрен учет связанных областей физических явлений, которые позволяют, например, смоделировать движение переключателя в результате смещения напряжения. В пакете есть множество специфических для МЭМС функций для моделирования и имитации широкого спектра МЭМС-устройств (рис. 9), включая инерционные датчики (акселерометры и гироскопы), микрофоны, резонаторы и исполнительные механизмы.
Внешний интерфейс CoventorWare интегрирован с набором программных решателей Coventor, но может также использоваться в качестве автономного внешнего интерфейса для сторонних инструментов, таких как ANSYS.
Интерактивная справочная система платформы CoventorMP
В новой версии платформы CoventorMP 1.3 реализована новая интерактивная справочная система (рис. 10), доступная из инструментов CoventorWare 10.5 и MEMS+ 6.5 или из меню «Пуск».
Справочная система включает в себя руководства пользователя, указания по применению, учебные материалы с демонстрацией практических примеров и взаимодополняющих возможностей инструментов MEMS+ и CoventorWare, которые позволяют инженеру-конструктору получить глубокие практические знания по проектированию МЭМС-устройств. Для удобного поиска предусмотрены фильтры, с помощью которых можно ограничить разделы для запроса.
* * *
CoventorMP заслуживает внимания разработчиков как специализированная комплексная платформа для проектирования МЭМС-устройств. ЗАО «СКАН» занимается продажами решений в области САПР и осуществляет техническую поддержку пользователей в России.
Компания предлагает полноценную версию CoventorMP для ознакомления и временные лицензии для бесплатного тестирования. Специалисты ЗАО «СКАН» готовы проконсультировать пользователей, ответить на возникшие вопросы и продемонстрировать возможности САПР, в том числе с использованием проектов пользователей. ●
А. Соловьев , С. Курдюков
Разработка микроэлектромеханических систем (МЭМС) связана с рядом специфических проблем, таких как связь между технологией изготовления и процессом проектирования, сложность конструкции, сочетание в МЭМС-устройстве различных физических эффектов, интеграция с КМОП-схемами и особые требования к корпусированию. Инструменты проектирования общего назначения не позволяют оптимально решать эти проблемы, что приводит к срыву сроков реализации проекта и задержке выхода изделия на рынок. ЗАО «СКАН», официальный дистрибьютор компании Lam Research в России, предлагает специализированную платформу для разработки МЭМС CoventorMP, которая позволяет эффективно проектировать, оптимизировать и интегрировать МЭМС-устройства. В статье рассмотрен основной функционал, возможности системы, а также особенности инструментов MEMS+ и CoventorWare, входящих в состав CoventorMP.
Эффективность разработки МЭМС-устройства с помощью САПР зависит от правильного выбора материала конструкции, разработки корректной модели, подбора и оптимизации параметров отдельных элементов, выбора технологии и организации производства. Системы для проектирования МЭМС позволяют проводить 3D-моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и анализировать эффекты из различных областей физики (механика, электростатика, жидкостное демпфирование и т. д.).
В 2017 году компания Lam Research приобрела разработчика программного обеспечения для проектирования МЭМС – компанию Coventor, продукты которой известны в России. САПР CoventorMP представляет собой автоматизированную платформу для проектирования и моделирования МЭМС, которая обеспечивает возможность анализа физических процессов и геометрии этих устройств.
Платформа в целом позволяет проектировать устройства от схемы до топологии, включая разработку систем на основе МЭМС с использованием библиотеки материалов и процессов (рис. 1).
Интегрированная среда проектирования CoventorMP включает в себя два программных инструмента:
- MEMS+ – для проектирования МЭМС-устройств с помощью стандартных блоков из библиотеки элементов заданной формы с адаптированным под геометрию МЭМС-устройств разбиением сетки (получаемая параметрическая модель может быть интегрирована в системы и схемы);
- CoventorWare – для проектирования и моделирования МЭМС-устройств со стандартным автоматическим разбиением геометрии адаптивной сеткой (созданные модели не параметризованы и обычно требуют больших вычислительных ресурсов).
Инструменты MEMS+ и CoventorWare используют единую среду моделирования методом конечных элементов и поведенческие модели, но решают разные задачи.
Благодаря созданию моделей из элементов заданной формы из библиотеки MEMS+ обеспечиваются простота разработки конечных устройств (разработчик оперирует готовыми блоками) и скорость моделирования. Система проста в изучении и применении.
Использование параметрических моделей МЭМС позволяет повысить скорость автоматизированного анализа конструкции по сравнению с традиционным методом конечных элементов, а также оптимизировать конструкцию в процессе проектирования.
Такой подход позволяет создавать в MEMS+ не только МЭМС-устройства, но и системы на основе МЭМС. Для решения этих задач в MEMS+ предусмотрена возможность интеграции с системой математического моделирования MATLAB Simulink (MathWorks) или средой разработки аналоговых интегральных схем Virtuoso (Cadence Design Systems).
CoventorWare, в отличие от MEMS+, основан на стандартном подходе к проектированию МЭМС-устройств и обеспечивает разработку устройства в ручном режиме. Модель может быть создана в режиме 3D или на базе GDS-топологии и описания технологического процесса.
CoventorWare включает в себя набор алгоритмов построения сетки для генерации шестнадцатеричных ячеек, которые являются оптимальными для МЭМС-структур, обеспечивают более точный анализ в областях с высоким напряжением и для геометрий с высоким соотношением сторон, типичных для МЭМС.
Совместное использование инструментов позволяет экспортировать модели, включая свойства материалов, из MEMS+ в CoventorWare и наоборот, проводить расширенное исследование характеристик, например концентрации потенциала, создавать более точные структурные модели для MEMS+, использовать MEMS+ в качестве параметрического интерфейса для CoventorWare.
Рассмотрим более подробно особенности каждого из инструментов платформы CoventorMP.
Инструмент MEMS+
MEMS+ – специализированный программный продукт, предназначенный для проектирования МЭМС. Конечные элементы заданной формы с адаптированным разбиением сетки из библиотеки MEMS+ (рис. 2), на основе которых проектируются модели, учитывают геометрию МЭМC-устройства, в том числе углы боковых стенок, многослойность, перфорации, гребенчатые структуры. Конструкция может быть также создана из файла GDS или SAT.
На рис. 3 показана конструкция 3‑осевого гироскопа, спроектированная с использованием библиотеки MEMS+.
Моделирование созданной конструкции возможно как во встроенном симуляторе MEMS+, так и в системе математического моделирования MATLAB Simulink (MathWorks) или на платформе разработки аналоговых интегральных схем Virtuoso (Cadence Design Systems). Эти системы интегрированы с MEMS+, что делает модель мультидоменной и обеспечивает общую платформу и эффективную методологию для разработчиков МЭМС и ИС с МЭМС-структурами (рис. 4).
Модели можно передавать и в другие среды проектирования с помощью встроенного экспорта в формат Verilog или в формат моделей сокращенного порядка (ROM) с уменьшенным количеством степеней свободы и без учета нелинейной физики. Данные модели используются для импорта сложных геометрических структур и позволяют сократить время моделирования в сотни раз.
При анализе модели учитываются различные физические эффекты, используемые в МЭМС, в том числе из таких областей, как механика, электростатика, демпфирование, пьезофизика. Система позволяет выполнять моделирование переходных процессов, а также температурных режимов с учетом термомеханических эффектов. Возможно также проведение исследований влияния деформации корпуса и подложки на характеристики МЭМС-устройств.
После завершения имитационного моделирования доступна визуализация результата в 2D- или 3D-формате, которая дает возможность увидеть конструкцию в движении.
Библиотека компонентов в инструменте MEMS+ позволяет создавать индивидуальную библиотеку пользователя, адаптированную к конкретному процессу, и сохранять ее в формате mpdk. Этот файл и содержащиеся в нем компоненты доступны только для чтения и могут быть защищены паролем.
MEMS+ используется для моделирования различных типов МЭМС-устройств (рис. 5).
Инструмент прост в применении и освоении новыми пользователями. В программном пакете есть набор примеров готовых проектов, созданных в MEMS+: гироскопы, акселерометры, переключатели, микрофоны, магнитометры, сканирующие зеркала. Примеры можно использовать при создании собственных устройств для ускорения работы.
Инструмент CoventorWare
CoventorWare – набор интегрированных средств для моделирования и проектирования МЭМС. Твердотельные модели создаются на основе топологии и описания процесса (рис. 6) или импортируются из MEMS+.
В редакторе технологического процесса (рис. 7) определяется последовательность шагов процесса, то есть фактически создается «рецепт», который нужно реализовать, чтобы построить твердотельную модель. В состав модели входят свойства материалов, которые используются при проведении имитационного моделирования.
На базе 2D-модели и описания процесса автоматически генерируется 3D-модель, на которую можно наложить сетку конечных элементов.
Сетка генерируется в препроцессоре (рис. 8), где можно рассмотреть модель в разрезе, выбрать различные типы конечных элементов (блочный элемент, элемент «оболочка» или «тетраэдр», элемент поверхности). Доступен также запрос для проверки качества всех элементов. Сетка анализируется в ядре решателя конечных элементов. Решатели работают как в линейном, так и в нелинейном режиме, с поддержкой нескольких процессоров через графических интерфейс или скрипт.
В CoventorWare используется гибридный метод конечных / граничных элементов (МКЭ / МГЭ), который позволяет избежать проблем с точностью и эффективностью. Набор решающих программ CoventorWare обеспечивает быстрое физическое моделирование и позволяет выполнять следующие виды анализов:
- модальный анализ;
- квазистатическая сопряженная электромеханика (притяжение, отталкивание, электростатический изгиб пружины);
- гармонический анализ;
- алгоритм быстрой развертки по частоте для пьезоэлектрических BAW-резонаторов;
- газовое демпфирование для любой трехмерной геометрии;
- рассеяние энергии за счет термоупругого демпфирования и потерь в анкере;
- анализ чувствительности пьезорезистивных датчиков;
- детальный анализ напряжений.
Кроме того, в CoventorWare предусмотрен учет связанных областей физических явлений, которые позволяют, например, смоделировать движение переключателя в результате смещения напряжения. В пакете есть множество специфических для МЭМС функций для моделирования и имитации широкого спектра МЭМС-устройств (рис. 9), включая инерционные датчики (акселерометры и гироскопы), микрофоны, резонаторы и исполнительные механизмы.
Внешний интерфейс CoventorWare интегрирован с набором программных решателей Coventor, но может также использоваться в качестве автономного внешнего интерфейса для сторонних инструментов, таких как ANSYS.
Интерактивная справочная система платформы CoventorMP
В новой версии платформы CoventorMP 1.3 реализована новая интерактивная справочная система (рис. 10), доступная из инструментов CoventorWare 10.5 и MEMS+ 6.5 или из меню «Пуск».
Справочная система включает в себя руководства пользователя, указания по применению, учебные материалы с демонстрацией практических примеров и взаимодополняющих возможностей инструментов MEMS+ и CoventorWare, которые позволяют инженеру-конструктору получить глубокие практические знания по проектированию МЭМС-устройств. Для удобного поиска предусмотрены фильтры, с помощью которых можно ограничить разделы для запроса.
* * *
CoventorMP заслуживает внимания разработчиков как специализированная комплексная платформа для проектирования МЭМС-устройств. ЗАО «СКАН» занимается продажами решений в области САПР и осуществляет техническую поддержку пользователей в России.
Компания предлагает полноценную версию CoventorMP для ознакомления и временные лицензии для бесплатного тестирования. Специалисты ЗАО «СКАН» готовы проконсультировать пользователей, ответить на возникшие вопросы и продемонстрировать возможности САПР, в том числе с использованием проектов пользователей. ●
Отзывы читателей
