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基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价研究

作　者: 李建华
导　师: 高曙明
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: MEMS 计算机辅助设计实体模型工艺特征工艺特征模型工艺层模型可制造性评价掩模综合掩模验证表面微加工工艺
分类号: TN402
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

传统MEMS(Micro Electromechanical Systems,微机电系统)器件设计模式是面向制造的模式,已无法满足日益复杂的MEMS器件设计,研究新的设计方法已经势在必行。针对表面微加工工艺,本文提出了基于实体模型的MEMS器件设计与评价模式、框架以及相关的方法。利用本文所提出的方法,设计人员可以直接使用传统的机械CAD工具设计器件的实体模型,而后基于实体模型产生包括掩模和工序在内的制造数据,从而使设计人员能够在MEMS器件设计时更集中于结构和功能设计,使MEMS CAD系统能够更有效地支持复杂器件设计和创新设计。论文的主要工作包括以下几个方面: 提出一个基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价框架,实现从实体模型到包含制造数据的工艺模型的转化。在该框架中,实体模型到工艺模型的转化分为两步:基于实体模型生成工艺层模型;基于工艺层模型生成掩模和工序。提出基于实体模型的表面微加工MEMS器件工艺层建模方法,实现实体模型到工艺层模型的转化。首先给出了针对表面微加工工艺的工艺特征定义与分类,提出了相应的工艺特征自动识别算法;接着提出了基于工艺特征的工艺层模型自动生成方法;最后,针对同材料多层腐蚀,给出了一种工艺层模型的修正算法。提出表面微加工MEMS器件工艺层模型的可制造性评价方法,实现面向制造的设计。从可释放性、工步可制造性、沉积可制造性、上下可结合性和腐蚀可制造性等方面分析了产生可制造问题的原因并给出了相应的可制造性评价方法。基于可制造性评价结果,进一步提出了一种生成修改建议的方法。提出基于工艺层模型的掩模综合和验证方法。首先通过工艺层模型生成初始掩模和工序,再依据初始掩模之间的关系与同材料多层腐蚀的属性生成同材料多层腐蚀的掩模与工序,最后基于材料属性对所生成的掩模和工序进行模拟验证。基于以上研究成果,论文实现一个基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价原型系统ZD-SMMDES,并使用该系统对微马达、微驱动器和微铰链等MEMS器件进行设计与评价,验证本文的学术思想与原型系统的正确性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-27
  1.1 研究背景  9-16
    1.1.1 MEMS技术  9-11
    1.1.2 CAD技术  11-13
    1.1.3 MEMS CAD技术与系统  13-16
  1.2 计算机辅助MEMS器件设计  16-23
    1.2.1 MEMS器件的几何建模  16-19
    1.2.2 工艺模拟  19-20
    1.2.3 掩模和工序综合  20-22
    1.2.4 器件模拟  22
    1.2.5 其他相关工作  22-23
  1.3 计算机辅助MEMS器件设计研究存在的问题  23-24
  1.4 本文的研究目标与研究内容  24-27
第2章基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价模式及其框架  27-39
  2.1 计算机辅助MEMS器件设计功能需求分析  27-28
  2.2 MEMS器件设计模式  28-34
    2.2.1 传统的MEMS设计方法及其流程  29-31
    2.2.2 结构化MEMS器件设计方法  31-34
  2.3 基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价的模式及其框架  34-37
    2.3.1 基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价模式  34-35
    2.3.2 基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价框架  35-37
  2.4 本章小结  37-39
第3章基于实体模型的表面微加工MEMS器件工艺层模型生成  39-71
  3.1 引言  39-40
  3.2 基本概念与方法概述  40-42
    3.2.1 基本概念  40-41
    3.2.2 方法概述  41-42
  3.3 工艺特征的表示与分类  42-45
  3.4 工艺特征识别  45-50
    3.4.1 预处理  45-47
    3.4.2 工艺特征自动识别算法  47-50
  3.5 基于工艺特征的表面微加工MEMS工艺层建模  50-65
    3.5.1 变异扫成操作  52-53
    3.5.2 工艺层建模的相关概念  53-56
    3.5.3 工艺层建模算法  56-65
  3.6 工艺层模型修正  65-70
    3.6.1 工艺层模型修正的必要性  65-66
    3.6.2 工艺层模型修正算法  66-70
  3.7 本章小结  70-71
第4章表面微加工MEMS器件工艺层模型可制造性评价  71-87
  4.1 引言  71-72
  4.2 方法概述  72-73
  4.3 表面微加工MEMS器件工艺层模型可制造性评价算法  73-83
    4.3.1 可释放性评价  73-74
    4.3.2 工步可制造性评价  74-76
    4.3.3 沉积可制造性评价  76-77
    4.3.4 上下可结合性评价  77-78
    4.3.5 腐蚀可制造性评价  78-83
  4.4 基于可制造性评价结果的修改建议生成  83-86
    4.4.1 基于可制造性评价结果的修改建议生成方法概述  83-84
    4.4.2 基于干涉实体的修改建议生成算法  84-86
  4.5 本章小结  86-87
第5章基于工艺层模型的表面微加工MEMS器件掩模综合与验证  87-99
  5.1 引言  87-88
  5.2 相关概念与方法概述  88-89
    5.2.1 基本概念  88-89
    5.2.2 方法概述  89
  5.3 初始掩模和工序生成  89-91
  5.4 同材料多层腐蚀的掩模生成  91-94
  5.5 掩模和工序验证  94-96
  5.6 本章小结  96-99
第6章基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价原型系统  99-115
  6.1 原型系统结构与功能  99-102
    6.1.1 原型系统结构  99-100
    6.1.2 原型系统界面设计  100-101
    6.1.3 原型系统功能模块  101-102
  6.2 实例测试  102-113
    6.2.1 微马达  102-108
    6.2.2 微驱动器  108-111
    6.2.3 微铰链  111-113
  6.3 本章小结  113-115
第7章总结与展望  115-117
  7.1 总结  115-116
  7.2 展望  116-117
参考文献  117-125
攻读博士学位期间完成的学术论文  125-127
致谢  127

基于实体模型的表面微加工MEMS器件设计与评价研究

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