CN101971177A - 用于多物理场系统模型的三维简图获取及结果可视化的系统和方法 - Google Patents

用于多物理场系统模型的三维简图获取及结果可视化的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明论述了用于设计以及模拟诸如MEMS器件的多物理场器件的3D多物理场设计环境(“3D设计环境”)。所述3D设计环境以编程方式与适用于模拟信号ICs、混合信号ICs以及多物理场系统的系统级设计和仿真的系统建模环境集成。使用参数化的模型部件在所述3D设计环境中的3D图形视图中创建参数化的MEMS器件模型，每个所述参数化的模型部件均与底层行为模型相关联。在所述MEMS器件模型被完成之后，其可以被输出给系统建模环境而不用使所述模型经受初步的有限元网格划分。

Description

用于多物理场系统模型的三维简图获取及结果可视化的系统和方法
相关申请
本申请要求2007年11月30日提交的、申请号为60/991249的、题为“用于多物理场系统模型的三维简图获取及结果可视化的系统和方法(A System and Method for Three-Dimensional Schematic Capture and Result Visualization of Multi-Physics System Models)”的美国临时专利申请的权益。
技术领域
本发明的实施例一般涉及模拟多物理场系统的物理行为并且更具体地涉及在三维(3D)设计环境中为多物理场器件创建参数化的行为模型以及所述被创建的模型在3D设计环境以及集成的系统建模环境中随后的使用。
背景技术
计算机辅助设计(CAD)以及计算机辅助工程(CAE)工具分别被用于在生产实际物理器件之前设计以及模拟机械器件的虚拟模型。相似地，电子设计自动化(EDA)工具被用于在生产实际物理器件之前设计以及模拟电气以及电子器件的虚拟模型。CAD、CAE以及EDA工具是在具有图形显示设备的数字计算机上运行的交互式软件程序。CAD/CAE工具以及EDA工具的属性必须被结合以在开始制造所述实际物理器件的昂贵并且耗时的过程之前设计以及模拟诸如微机电系统(MEMS)器件的多物理场器件的虚拟模型。
MEMS是微米级或者纳米级的器件(典型地以与集成电路(ICs)相似的方式被制造)，以利用通过半导体制造工艺可实现的小型化、集成以及批处理。不同于仅由电部件构成的ICs，MEMS器件结合来自多个物理域的部件并且可以包含例如电的、机械的、磁的、射频(RF)、光学的以及流控的部件。MEMS器件以许多形式出现并且可以包括微机电传感器和致动器，诸如陀螺仪(gyroscope)、加速度计以及压力传感器，诸如喷墨头的微流控器件、诸如开关、谐振器、变容二极管和无源器件的射频(RF)器件以及诸如微镜和光纤对准器件的光学器件。典型地，单独的MEMS器件是无用的。为提供有用的功能，MEMS器件必须被并入包括控制该MEMS器件或者处理来自该MEMS器件的电输出信号的电子电路的系统。大部分MEMS器件由MEMS感测或者致动元件(即MEMS器件本身)以及伴随的电子器件(即IC)组成，所述伴随的电子器件处理来自该MEMS器件的输出信号和/或控制该MEMS器件。
发明内容
本发明的实施例提供了用于设计以及模拟诸如MEMS器件的多物理场器件的3D多物理场设计环境(“3D设计环境”)。所述3D设计环境以编程方式与适用于模拟信号ICs、混合信号ICs以及多物理场系统的系统级设计以及仿真的系统建模环境集成。使用参数化的模型部件在所述3D设计环境中的3D图形视图中创建参数化的MEMS器件模型。所述参数化的模型部件每个都与底层行为模型相关联并且可以从多物理场/MEMS部件库中选择。在所述MEMS器件模型被完成之后，其可以被输出给系统建模环境。所述MEMS器件模型可以被输出给所述系统建模环境而不用使所述模型经受初步的有限元网格划分。
所述被输出的MEMS器件模型允许涉及所述MEMS器件及相关联的电子电路系统的电路仿真在所述系统建模环境中进行。电路仿真结果可以被传输回到所述3D设计环境中以便使用所述3D设计环境的3D视图生成器使其可视化。所述3D视图可以显示所述MEMS器件的机械运动的动态模拟。用户随后可以将参数化的布局单元输出给可以被用于直接生成所述MEMS器件的布局的布局编辑器。
在一个实施例中，设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机实现的方法包括经由3D设计环境选择参数化的部件。所述参数化的部件中的每一个都与行为模型相关联。所述方法使用被选择的参数化的部件在所述3D设计环境中创建参数化的MEMS器件模型。所述MEMS器件模型被输出到系统建模环境中，用于在电路仿真或者协同仿真中使用。
在另一个实施例中，设计以及模拟MEMS器件的计算机实现的方法包括将参数化的MEMS器件模型输入到系统建模环境中，已经由参数化的部件在3D设计环境中创建了所述参数化的MEMS器件模型。所述参数化的部件中的每一个都与行为模型相关联。表示所述参数化的MEMS器件模型的符号被连接到所述系统建模环境中的简图中，所述简图显示集成电路(IC)设计。所述简图的电路仿真或者协同仿真在所述系统建模环境中被执行。
在另一个实施例中，用于设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机实现的系统包括计算设备以及显示设备。所述计算设备作为三维(3D)MEMS设计环境以及系统建模环境的主机或者与三维(3D)MEMS设计环境以及系统建模环境通信。所述3D MEMS设计环境允许经由所述三维(3D)MEMS设计环境选择参数化的部件。所述参数化的部件中的每一个都与行为模型相关联。所述3D MEMS设计环境被用于用所述被选择的参数化的部件在所述3D设计环境中创建参数化的MEMS器件模型。所述3D MEMS设计环境也允许所述MEMS器件模型输出到所述系统建模环境中。利用被输出的MEMS器件模型在所述系统建模环境中被执行的简图设计的电路仿真或者协同仿真的结果在所述3D设计环境中被接收。所述显示设备与所述计算设备通信并且在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果。
附图说明
附图被包含在本说明书中并且构成本说明书的一部分，其示出本发明的一个或者多个实施例，并且与文字说明一起解释了本发明。在附图中：
图1画出了适用于实践本发明的实施例的环境；
图2A画出了在所述MEMS器件装配之前由所述3D设计环境的简图编辑器生成的空白的3D视图；
图2B画出了使用所述3D简图编辑器内部的全局变量对从部件库中被选择的示范性部件的参数化；
图3画出了使用所述3D简图编辑器内部的全局变量对从部件库中被选择的另一个示范性部件的参数化以及被选择的示范性部分的3D视图；
图4画出了在所述3D简图编辑器中被显示的示范性的被完成的MEMS器件模型以及被用于部件参数化的全局变量的列表；
图5A画出了在由所述3D简图编辑器生成的3D视图中被显示的另一个示范性的被完成的MEMS器件模型以及被用于部件参数化的全局变量的列表；
图5B示出了图5A所示的示范性MEMS器件模型的机械连接器；
图5C示出了图5A所示的示范性MEMS器件模型的电连接器；
图6A画出了第一外部编辑器，即材料特性编辑器；
图6B画出了第二外部编辑器，即工艺编辑器；
图7画出了将示范性MEMS器件模型连同所述底层行为模型一起的符号输出到所述系统建模环境中的3D设计环境；
图8画出了被添加到所述系统建模环境中的简图的、表示被创建的MEMS器件模型的符号；
图9画出了被用在所述MEMS器件模型中的全局变量，该MEMS器件模型在所述系统建模环境的简图编辑器中可作为符号参数被访问；
图10画出了所述仿真结果从所述系统建模环境到所述3D设计环境的传输以及所述结果在所述3D视图中的动态模拟；
图11示出了包括所述3D设计环境以及所述系统建模环境的设计过程的总览；以及
图12是本发明的实施例所遵循的步骤序列的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例允许多物理场器件模型(诸如MEMS器件模型)在三维(3D)设计环境中的创建，所述3D设计环境与系统建模环境集成。被创建的器件模型与在典型的基于特征的3D CAD建模工具中被创建的模型的区别在于有与被创建的器件模型的每个部件相关联的底层行为模型。被创建的器件模型可以被输出给系统建模环境，在该系统建模环境中其可以被集成到简图设计中并且在执行电路仿真或者协同仿真时被使用。用于被创建的器件的行为模型可以相对于取决于制造以及设计的变量被参数化，所述变量诸如材料特性和尺寸变化以及所述设计的几何特性。在所述系统建模环境中被执行的系统级仿真或者协同仿真的结果随后可以被送回到(loaded back into)所述3D设计环境中用于结果显像以及动态模拟。观察在所述3D设计环境中被显示的结果的用户可以指示对该结果的满意并且参数化的2D布局单元可以编程方式被生成并且被发送给所述系统建模环境中的2D布局编辑器。
在本文中所论述的本发明的实施例允许诸如MEMS器件模型的多物理场器件模型的创建以及显像。为了解释的清楚起见，被创建的模型在本文中被称作MEMS器件模型。然而，应当理解的是除MEMS器件模型以外的其他类型的多物理场器件模型可以通过实践本发明的实施例而被创建并且利用。
如先前所提到的那样，大部分MEMS器件包括MEMS感测或者致动元件以及处理来自所述MEMS器件的输出信号和/或控制所述器件的IC两部分。MEMS器件的双重性质已经在所述设计过程期间引起了许多问题，因为MEMS设计师以及IC设计师习惯于在截然不同的专用的设计环境中工作。举例来说，MEMS设计师常常被训练成习惯于用三维CAD以及CAE工具进行设计的机械工程师。相反，IC设计师典型地被训练成电气工程师并且几乎普遍地依赖于IC设计及仿真环境(例如：Cadence VIRTUOSO或者Mentor Graphics平台)，该IC设计及仿真环境被用于在简图编辑器中创建电子器件的简图，电子器件的简图接着在电路仿真器中被模拟。每个设计环境具有其长处以及弱点并且所述设计环境之间的断连常规地在整体上设计以及模拟MEMS器件时引起问题。
举例来说，在设计以及模拟MEMS器件时通常所使用的一种方法在本文中被称作物理设计及仿真，其使用机械CAD以及CAE工具来创建所述器件的三维几何模型并且接着应用诸如有限元方法(FEM)的离散数值技术以在数值上解表示所述器件的物理行为的偏微分方程。这种方法以诸如ANSYS以及ABAQUS的商业产品为典型。所述物理设计及仿真的结果可以在3D视图中被呈现。然而，这种方法具有显著的缺点，即其非常耗时并且没有结合为得到有用的系统所需要的周围的电子电路模拟所述MEMS的机械行为的直接方法。
设计以及模拟MEMS器件的可替换的方法在本文中被称作系统级设计及仿真，其结合专用的MEMS部件库使用系统建模环境。所述系统建模环境包括简图编辑器(或者简图获取工具)以及电路仿真器。这种方法以CoventorWare ARCHITECT为典型并且具有其通常比FEM方法快一至两个数量级并且其允许将电子电路包括在仿真中的优点。CoventorWare ARCHITECT包含Synopsys SABER系统建模环境。商业上可买到的系统建模环境的其他例子包括但不限于Cadence VIRTUOSO、Mentor SYSTEMVISION以及Ansoft SIMPLORER。
虽然MEMS设计的系统级方法已成功，使用符号化的简图来获取MEMS器件的设计有缺点。符号化的简图，本质上为提供所有部件模型及它们的互连的抽象映射的布线图，是描述电子器件的设计的直观方式，但是其不是描述三维机械器件的直观方式，因为每个被建模的子结构的几何形状、位置以及方向由对应的简图符号定义。微小的参数变化可能产生显著不同的器件几何形状和/或光系统建设，这从所述符号化的简图中不是显而易见的。常规的EDA工具仅允许用户根据符号化的简图生成二维布局。新近，诸如CoventorWare ARCHITECT的工具包括了用于理解并且验证像MEMS的非电(non-electrical)结构的参数设定以及符号连通性的3D可视化能力。然而，即使使用这些新近的工具，用户仍然必须首先在符号化的简图中获取所述设计。对所述简图的每次改变，无论是添加符号还是改变所述MEMS部件模型中的一个的参数值，都需要通过布局生成或者3D可视化的验证。因此，尽管在基于简图的MEMS设计的可视化方面有进步，用户必须在所述简图获取过程期间在所述符号化的简图和所述3D或者布局视图之间重复地来来回回。
另一个可替换的方法将所述物理设计及仿真方法与所述系统级设计与仿真方法结合，并且在本文中被称作混合方法。这种方法使用物理设计及仿真为MEMS部件库创建部件，并且使用系统级设计及仿真来模拟所述部件的被结合的行为。该混合方法具有系统级方法的一些优点，即仿真需要比物理仿真更少的计算资源(存储以及时间)。但是该混合方法相对于所述系统级方法就所述MEMS部件库中的部件的性质而言也具有缺点。特别地，所述MEMS部件的参数化被限制，并且需要多个耗时的并且潜在地易出错的步骤来创建以及模拟所述MEMS部件。另外，作为MEMS部件的基础的行为模型通过多项式曲线拟合来得到，其可能是额外的误差源。与所述系统级方法类似，所述MEMS器件的符号化的简图必须通过装配来自所述MEMS部件库的部件在简图编辑器中被构成。所述系统级方法以及混合方法两者可以被称作基于简图的设计及仿真方法。
MEMS设计中的另外的问题是MEMS工程师和IC工程师两者常常表示对在公共的仿真环境中协同仿真所述MEMS以及IC设计的需要。协同仿真被需要用于验证所述IC设计以及用于预测制造偏差的良率敏感性(yield sensitivity)。如果所述仿真在所述IC设计环境中运行，则需要所述MEMS设计者交付以合适的硬件描述语言(HDL)(诸如Verilog-A或者VHDL-AMS)所表示的MEMS器件的行为模型。如今，MEMS工程师具有以这些形式交付行为模型的非常有限的能力。仅有的选择是手工制造模型(通常以查找表的形式)，或者根据有限元分析生成降阶的(reduced order)模型。这两个选择产生非参数化的模型，即点设计，这对于良率分析没有用并且不是可再次使用的。
本发明的实施例通过允许用户通过直接在设计环境中的3D视图中装配参数化的部件来构建MEMS器件来处理MEMS设计中的这些缺点。被创建的MEMS器件模型被用于系统建模，用由用户所选择的单独的MEMS部件的行为模型通过所述3D设计环境自动地创建所述MEMS器件模型。所述MEMS器件模型可以被自动地传输到所述系统建模环境用于仿真而不需要所述模型首先经历FEM。通过在3D视图中装配部件来创建简图的这个过程被称作“三维简图获取”。
这种3D方法对于MEMS设计者更加自然，并且通过允许设计者从一个3D视图工作而不是在符号化的简图视图与3D视图之间交替来节省时间。被输出的MEMS器件模型允许在所述系统建模环境中进行既涉及被创建的MEMS器件也涉及相关联的电子电路系统的电路仿真。通过本发明的实施例所提供的额外的好处在于所描述的3D设计环境可以集成的形式与现有的系统建模环境一起被使用。
图1画出适用于实践本发明的实施例的环境。图2-10描述了图1所示的部件之间的各种交互。图1贯穿整个详细说明被引用。
包含3D多物理场设计环境100(“3D设计环境”)以及基于简图的系统建模环境200的计算设备12在图1中被示出。所述计算设备12可以是服务器、工作站、膝上型笔记本或者配备有处理器并且能够支持所述3D设计环境100以及所述计算建模环境200的一些其他类型的电子设备。所述3D设计环境100可以包括MEMS部件库110、3D仿真结果显像器120以及3D简图编辑器140。将理解的是图1所画的单独的部件可以组合的形式或者以与图1所画的那些不同的配置出现而不背离本发明的范围。
所述3D简图编辑器140被用于创建和/或编辑3D MEMS器件模型150。用户10通过从所述MEMS部件库110中选择MEMS部件111、113以及115的一个或者多个实例在所述3D设计环境100中装配MEMS器件模型150并且配置部件参数。部件参数可以数字的形式或者作为引用一个或者多个全局变量的代数表达式被输入。被用于使所述MEMS器件150参数化的所有全局变量可以被存储并且被定义在所述3D设计环境100中。
所述库部件111、113以及115可以表示来自不同物理域的实体，诸如块(mass)、板(plate)、磁体、激光器(laser)、光学透镜、静电梳齿结构以及电极。所述部件参数可以包括诸如位置、方向、长度、宽度以及高度的几何尺寸、层名称或者像密度以及弹性系数的材料特性。部件参数可以数字的形式或者作为一个或者多个全局变量的表达式被输入。用于定义几何部件参数的可替换的方法在2D或者3D画板上接收点选择或者自由形式的绘图。
所述MEMS部件库110中的每个模型部件可以包括由部件111、113以及115表示的数学行为模型，以及对应的3D视图生成器112、114以及116，所述3D视图生成器为包含绘制每个部件的3D图形视图所需要的信息的计算机脚本或者程序。每个部件的底层行为模型描述单独的部件在经受电刺激(stimuli)或机械刺激或者来自其他域的刺激时在数学上怎样表现。3D视图生成器112、114以及116使用所述参数信息(可选地连同像制造工艺说明的其他设计信息一起)以在用户10成功地完成参数输入之后创建部件151、152、153、154以及155的3D图像301、302、303、304以及305。
所述底层行为模型与有限元模型的区别在于它们使用凡是对于表示被建模的实体的物理行为最有效的任何数学的(解析的)或者数值的公式，这与有限元的情况中的具有多项式或者其他标准基的通用形函数相反(generic shape function)。举例来说，典型的MEMS器件的悬浮典型地可以被建模成机械梁分段的集合。可以被装配用于为MEMS器件建模的其他部件可以包括各种形状(矩形、三角形、弧形分段等等)的刚性以及柔性的机械板、各种形状以及配置的交叉指型(inter-digitated)静电梳齿驱动器以及可以被布置在任一上述机械元件的上面、下面或者侧面的平面或者曲线型电极。这些部件中的每一个必须具有相关联的行为模型，该行为模型有效地表示其物理行为。机械梁的行为模型可以是众所周知的梁理论的解析解，诸如Euler-Bernoulli梁方程。这样的数学解可以就所述梁的几何参数(诸如其长度、宽度以及厚度)以及诸如杨式系数的材料特性而言明确地被表示。另外，所述行为模型可以具有机械连接点，诸如梁的末端，其规定其在哪里以及怎样可以被连接到其他机械部件。刚性板分段的行为可以通过控制(govern)刚体动力学的方程来建模，所述方程取决于其惯性系数，所述惯性系数又可以就其几何参数以及密度而言明确地被表示。电极和机械元件之间的静电势的行为模型可以通过用于相等尺寸的平板之间的静电势的简单方程，或者在交叉指型梳齿(inter-digitated comb finger)的情况下通过诸如共形映射的更复杂的手段来建模。
用户通过连接被选择的部件111、113以及115的表示在3D视图300中装配所述MEMS器件模型。所述部件的表示分别由与被选择的部件相关联的3D视图生成器112、114和116来生成。所述3D设计环境省去了指示用户在所述3D视图中怎样连接所述部件的信息。作为在所述3D视图300中被构建的模型的基础的数据结构被称作多物理场或者MEMS器件模型并且包含对组成部件301、302、303、304和305、它们的底层行为模型以及指示所述部件301、302、303、304和305怎样被连接的数据的引用。在所述3D视图中被构建的MEMS器件模型150可以被直接输出给所述系统建模环境而不用额外的网格划分来形成MEMS器件的系统模型的部分。
本领域的技术人员将理解所述MEMS部件库110可以包括任何数量的部件以及对应的3D视图生成器。图1所示的部件的数量以及对应的3D视图发生器仅是用于示意的目的而不应当被视为限制。
图2A和2B更具体地画出了被用于创建MEMS器件模型的3D视图300。图2A画出了由所述3D简图编辑器140生成的空白的3D视图300。用户通过从MEMS部件库110中选择部件并且将它们布置在所述3D视图300中来创建所述MEMS器件模型。图2B显示了参数框204，该参数框列出了与被选择的MEMS部件相关联的可配置的参数。
有两个类别的参数对于多物理场器件设计是有关的。第一类别包括由制造工艺所确定的材料特性以及几何参数。第二类别包括所述多物理场器件模型的部件的尺寸参数，诸如长度、宽度、梳齿的数量等等，它们由用户确定，即所述MEMS工程师。所述第二类别的参数化在图3中被示出。
图3示出弧形梁作为从所述MEMS部件库110中被选择的示范性MEMS器件模型部件151。用户10使用弹出菜单204来定义所述弧形梁的参数。一旦所述部件151的参数化被完成，所述弧形梁部件301的3D视图在所述3D视图300中被画出。用户10可以选择额外的部件并且为被选择的部件生成对应的3D视图。所述3D视图可以基于用户选择或者通过在对应的3D模型中标识接触部件面而自动地被连接(机械地、电性地、光学地等等)。举例来说，梁以及刚性板部件可以通过识别它们的形状彼此接触或者交叉而自动地被连接。在所述设计过程的最后，整个MEMS器件模型150的3D视图300被提供给用户10
图4示出了环形陀螺仪模型的示范性的3D视图300。所述3D视图300是被选择的MEMS器件模型部件的单独的3D视图的合成。如在图4中进一步被示出的那样，在所述MEMS器件模型150中被使用的所有MEMS部件的列表406在所述3D设计环境100的窗口407中被显示。所述部件的列表可以被分级组织以更好地示出所述MEMS器件模型150的结构。用户10可以从所述列表406中选择一个或者多个部件并且在所述3D设计环境100的窗口408中看到与被选择的(一个或者多个)部件相关联的全局变量。
图5A-5C示出了另一个MEMS器件模型，即射频(RF)开关的示范性的3D视图300。如图5A所示，在所述RF开关的3D视图300中所画出的所有部件的列表526在所述3D设计环境100的窗格527上被显示为树形结构。所述部件的列表526可以被分级组织以更好地示出所述RF开关的3D视图300的视图结构。用户10可以从所述列表526中选择一个或者多个部件并且在所述3D设计环境100的窗口528上看到与被选择的(一个或者多个)部件相关联的全局变量。如可以从部件树中看到的那样，图5A所示的RF开关包括4个基本的构件块，即部件：一个锚和三个梁。
图5B示出在图5A所示的RF开关的3D视图300中所画出的机械连接器552。所述机械连接器536的列表在所述3D设计环境100的窗口537中的树形视图中被显示。所述机械连接器352的视图示出哪些部件被链接在一起。可视的提示被用于示出机械部件之间的连接。举例来说，在图5B中，所述机械部件部分透明地被示出并且所述部件之间的机械连接器由高亮的点指示。被连接的部件将作为单件一起移动。
图5C示出图5A所示的RF开关的电连接器554。所述电连接器546的列表在所述3D设计环境100的窗口547中的树形视图中被显示。所述电连接器视图554使用诸如颜色、不透明/透明显示等可视的提示来示出部件之间的电连通性。被连接的部件将作为单件一起移动。举例来说，电气层在所述器件模型的3D视图中可以被示为固态件(solid piece)。
除了定制多物理场器件的部件的尺寸以外，有时有必要使制造工艺适应特定的多物理场器件以实现设计目标。因此，所述制造工艺在多物理场器件设计中是重要的“自由参数”，其经常需要随开发进展被细调。在常规的IC设计环境中缺少改变所述制造工艺的说明的灵活性。另外，与电有关的IC部件的行为模型不能就所述工艺参数而言被参数化。在多物理场器件设计中，所述工艺说明的参数可以作为所述设计的部分被改变，因此所述模型也必须相对于所述工艺参数被参数化。
本发明的实施例通过提供被用于规定所有有关的制造专有的数据的两个外部编辑器来处理用户(即MEMS设计者)使工艺参数参数化的特定需求。所述第一外部编辑器，即所述材料特性编辑器600在图6A中被示出。所述材料特性编辑器600被用于创建包含在所述3D设计环境100中被使用的所有有关的物理以及可视特性的材料数据库。材料特性可以被定义为绝对值、变量或者代数方程。变量以及代数方程的组合允许特性相互地依赖于其他特性、环境变量(例如温度和适度)、或者完全抽象的变量，诸如给定的制造工艺的装备设定。用户10可以选择哪些变量被暴露给其他用户。举例来说，图6A示出铝的电连通性602由取决于温度T的代数表达式给出。在图6A的底部处，用户10选择通过勾选所述材料特性编辑器600上的对应的框604将T“暴露”给其他用户。
所述第二外部编辑器被称为工艺编辑器650，其在图6B中被示出。所述工艺编辑器允许本发明的实施例相对于取决于制造以及设计的变量使与所述系统建模环境共享的完整的MEMS器件的行为模型完全参数化。所述工艺编辑器650被用于定义所述多物理场器件制造步骤的顺序。底层的工艺数据包括关于层堆叠的所有有关的信息，诸如层次序、材料类型、厚度以及侧壁轮廓。所述工艺数据取决于材料数据库。在所述工艺数据中的每个层规定必须存在于对应的材料数据库中的材料类型。
所述MEMS器件模型150是在所述3D设计环境110中被设计的MEMS器件的系统模型。从所述MEMS部件库110中被选择的部件151、152、153、154以及155对应于在所述MEMS器件模型150的3D视图300中可视的部件301、302、303、304以及305。所述MEMS器件模型150也包含定义所述部件151、152、153、154以及155之间的连通性的链路156、156、158以及159。
在所述MEMS器件模型150在所述3D设计环境100中被完成之后，用户10将简图符号236指派给所述MEMS器件模型150。所述MEMS器件模型可以所述简图符号236以及传递部件之间的连通性信息的网表的形式被输出给所述系统建模环境200。所述简图符号236与所述网表237的组合在图1中被称作所述系统建模环境200中的MEMS器件235。所述简图符号236在所述系统建模环境200中被模拟的简图中表示MEMS器件模型150。
本发明的实施例对表示被创建的MEMS器件模型的简图符号的使用提供了控制被呈现给负责设计在MEMS器件周围的电子电路的IC设计者的信息的量的方法。IC设计者不需要看到在它们的简图中包括所述MEMS器件的所有部件。而且，有在其中所述MEMS设计者和IC设计者为不同公司工作的情况并且所希望的是通过向所述IC设计者隐瞒所述MEMS器件设计的细节来保护该MEMS器件设计的知识产权。因此，本发明的实施例允许所述MEMS设计者将表示所述MEMS器件的单个符号输出给所述系统建模环境并且仅暴露输入、输出以及IC设计者感兴趣的参数作为到该符号的端口。
图7示出在所述3D设计环境100中的示范性MEMS器件模型150(例如环形陀螺仪)的被完成的3D视图300，以及在所述系统建模环境200中的简图视图350中的对应的简图符号736。如上所述，用户10也规定所述MEMS器件模型150的哪些参数将被暴露在所述系统建模环境200中。被暴露的参数作为所述简图符号736的管脚737被示出。所述简图符号736的管脚737表示用于将所述简图符号736与所述系统建模环境中的简图中的一个或者多个其他部件链接所需要的电连接。到所述MEMS器件模型150内部的其他物理自由度的额外的连接器可以基于用户选择被暴露。所述MEMS器件模型150的全局变量作为所述MEMS器件符号736的参数被保留。
如图1所示，所述系统建模环境200包括简图编辑器210、电路仿真器220以及系统部件库230。所述简图编辑器210被用于创建和/或编辑系统模型250。用户从所述系统部件库230中选择所述MEMS器件235以及电子部件231和233并且将它们放置在简图视图350中，在该简图视图中所述模型部件231和233的符号化表示232和234与表示所述MEMS器件模型150的简图符号236接合并且在两个维度中向用户显示。用户也在所述简图视图350中规定或者绘制所述符号352、354、356以及358之间的连接。
图8示出示范性的完整的系统模型250的简图视图350。从所述3D设计环境100被输入的简图符号802被连接到简图符号832和834，该简图符号832和834表示在所述系统建模环境200中被添加到示范性MEMS器件235的、所述系统部件库230的部件。用户配置被选择的部件的参数，将它们的端口与被输入的表示在所述3D设计环境中被创建的MEMS器件的符号相互连接以在所述简图视图350中创建整个器件的简图。本领域的技术人员将理解所述用户可以与设计MEMS器件模型的用户(即所述MEMS设计者)相同。可替换地，所述用户可以是设计所述MEMS器件模型的简图视图的用户，即IC设计者。还应当理解的是所述部件可以在从所述3D设计环境输入所述简图符号之前被选择以及被配置。
在可替换的实施例中，所述3D MEMS设计环境中的用户可以请求仿真并且表示所述MEMS器件的符号可以被自动输出，在简图中被连接，并且在所述系统建模环境中被模拟而不用额外的用户动作。
当在所述简图视图350中形成所述简图模型时，表示诸如晶体管、电阻器、电感器以及电容器的电子部件的符号被连接用于创建所希望的电路行为。表示所述电子部件的符号具有可以通过导线被连接到其他部件的管脚的端口或者管脚。每个管脚具有电压并且将电流输入或者传出所述部件。在所述简图获取中，部件可以表示来自其他物理域的实体，诸如块、板、磁体、激光器、光学透镜、静电梳齿结构以及电极。部件的符号端口表示用于电、机械、磁、流体或者光源的输入，或者可以是机械自由度的输入或者输出控制管脚，即平移以及旋转运动。
所述简图编辑器210维护对应于所述简图视图350的底层系统模型250。所述系统模型250包含对所述系统部件231、233以及235的特定实例251、252、253以及254的引用。不止一个实例可以引用相同的模型部件。所述系统模型250也包含所述部件实例251、252、253以及254之间的连接255、256以及257。
所述简图编辑器210也被用于规定定义每个简图部件实例251、252、253以及254的参数的值。每个部件231、233和235的参数是部件定义的部分。所述MEMS器件235的部件定义可以包括所述MEMS器件模型150的所有全局参数。所述MEMS器件235的部件参数可以包括诸如位置、方向、长度、宽度以及高度的几何尺寸、层名称或者像密度以及弹性系数的材料特性。在一个实施例中，在所述简图编辑器210中的MEMS器件235的部件中的参数改变引起所述3D视图300的自动同步的更新。
图9示出MEMS器件，即环形陀螺仪的示范性的3D视图910。所述环形陀螺仪910的MEMS器件模型150被输出到所述系统建模环境200中。在用户经由所述简图编辑器210的选择之后，表示所述MEMS器件模型150的符号920被显示在所述简图视图250中。用户可以使用弹出窗口930查看并且调整表示所述环形陀螺仪910的简图符号920的参数。本领域的技术人员将认可所述弹出框930被提供用于示意的目的而不应当被看作限制，因为用于调整所述简图符号920的其他机构可以被使用而不背离本发明的范围。在所述简图视图350中进行的改变可以被传递到所述3D设计环境100，并且所述环形陀螺仪的被更新的3D显示940可以在所述显示设备14上被显示。
所述系统建模环境200也包括电路仿真器220。所述电路仿真器220被用于通过在数值上求一组被耦合的常微分方程的积分来执行在所述简图视图350中被表示的系统模型250的仿真。用户可以在所述电路仿真器220中运行所述简图模型250的仿真，该仿真将在每个仿真点处(即时间步长或者频率)评估所述MEMS器件的行为模型。用户可以运行所述模型的DC、AC以及瞬态仿真来确认所述器件性能。所述仿真的执行产生仿真结果240。所述仿真结果240被传输回到所述3D设计环境100中以使用所述3D仿真结果显像器120来显示。所述3D仿真结果显像器120以编程方式提供所述单独的MEMS部件(301、302、303、304以及305)的3D视图的连续更新，产生整个MEMS器件模型150的3D视图300的机械运动的动态模拟。
如图10所示，在所述3D设计环境100中被提供的3D仿真结果显像器120使用所述仿真结果240、所述系统模型250以及所述MEMS器件模型150来向用户10提供所述仿真结果240的3D视图300。来自对在所述简图视图350中所画出的系统模型250的仿真的仿真结果240被馈送给所述3D仿真结果显像器120。所述仿真结果显像器120结合3D视图生成器112、114以及116工作以通过逐步地改变所述3D视图300来反应位置随时间、频率或者在所述系统模型250的仿真期间被改变的任何其他物理量的变化而产生所述仿真结果240的3D视图300。
图11示出在本文中所论述的设计过程的可替换的总览，包括所述3D设计环境100、所述系统建模环境100以及布局编辑器1100。如上所述，用户创建3D MEMS器件模型150，其表示所述3D设计环境100中的MEMS器件。在所述MEMS器件模型150被完成之后，其可以被输出给系统建模环境200。所述模型输出涉及创建表示所述MEMS器件235的简图符号236，并且以与所述系统建模环境100兼容的格式输出所述MEMS器件符号236以及对应的器件模型150两者的步骤。被输出的器件模型150可以网表237的形式，即描述系统模型的数据结构。被创建的符号236可以具有用于将所述MEMS器件符号236与所述系统建模环境200中的其他简图符号链接所需要的电连接管脚。到所述MEMS器件模型内部的其他非电气的自由度的额外的连接器可以可选地被暴露在所述MEMS器件符号236中。在所述MEMS器件模型150中所使用的所有全局变量可以作为被创建的简图符号236的参数被保留。这些参数可以包括几何、材料或者在所述3D设计环境100中的器件定义期间所使用的任何其他类型的全局变量。
在所述系统建模环境200中，用户通过在简图视图200中将由所述符号236表示的MEMS器件235与来自所述系统部件库230的其他部件231、233以及235连接而形成系统模型250。一旦完成所述系统模型250，用户使用所述电路仿真器220来运行所述系统模型250的仿真。所述仿真结果240被输出给所述3D设计环境100中以被用在所述MEMS器件模型150的3D视图300的动态模拟中。当用户对所述设计满意时，该用户可以将参数化的布局单元(p-cell)输出给布局编辑器1100。
图12是本发明的实施例所遵循的步骤序列。当用户在3D设计环境中选择参数化的部件时所述序列开始(步骤1100)。用户通过在3D视图中装配被选择的部件来创建MEMS器件模型(步骤1102)。被创建的MEMS器件模型接着被输出到给统建模环境的部件库(步骤1104)。使用被输出的MEMS器件模型在所述系统建模环境中被运行或者正在被运行的仿真或者协同仿真的结果可以接着在所述3D设计环境中被接收(步骤1106)。被接收的结果可以在所述3D设计环境中以动态模拟的形式被显示(步骤1108)。
在上文中所论述的多物理场器件的行为模型足够精细用于全面地表示所述多物理场器件的行为，获取例如所述机械自由度之间的交叉耦合。这些行为模型比降阶模型或者查找表更准确。所述行为模型以及布局p-cell两者都相对于取决于制造的变化以及所述设计的几何属性被全面地参数化，允许在EDA环境中的设计以及良率优化研究。在所述多物理场器件以及系统建模环境之间的自动转移以及交叉链接消除了在任何手动转移过程中都不可避免的人为误差。
本领域的技术人员将认可可以经由诸如因特网的网络将所述用户10与所述计算设备12分开。相似地，本发明的实施例所使用的部件可以在网络上以分立的形式出现而不是被整合在单个计算设备12中并且所述多物理场器件的部件可以被存储在除部件库以外的其他地方。
本发明可以作为在一个或者多个计算机可读介质上或者在其中被实施的一个或者多个计算机可读程序被提供。所述介质可以是软盘、硬盘、压缩盘、数字多用盘、闪存卡、PROM、RAM、ROM或者磁带。一般而言，计算机可读程序可以任何编程语言来实现。可被使用的语言的一些例子包括FORTRAN、C、C++、C#或者JAVA。软件程序可以被存储在一个或者多个介质上或者存储在其中作为目标代码。所述代码可以在虚拟化的环境中运行，诸如在虚拟机中。运行所述代码的多个虚拟机可以存在于单个处理器中。
由于一定的变化可以被进行而不背离本发明的范围，意图是在上述说明中所包含的或者在附图中所示出的所有内容应示意性地而不是在字面意义上来解释。本领域的技术人员将明白在附图中所画出的步骤以及构架的顺序可以被改变而不背离本发明的范围并且在本文中所包含的图示说明是本发明的众多可能的描绘的单个例子。

Claims (34)

1.一种设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机实现的方法，所述方法包括：
经由三维(3D)MEMS设计环境选择多个参数化的部件，所述参数化的部件中的每一个均与行为模型相关联；
用所述被选择的多个参数化的部件在所述3D设计环境中创建参数化的MEMS器件模型；并且
将所述MEMS器件模型输出到系统建模环境中用于在电路仿真或者协同仿真中使用。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收利用所述被输出的MEMS器件模型在所述系统建模环境中被执行的简图设计的所述电路仿真或者协同仿真的结果，所述结果在所述3D设计环境中被接收；并且
在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中显示所述结果还包括：
当在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果时动态模拟所述MEMS器件的运动。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述电路仿真或者协同仿真期间评估使用MEMS部件库的所述参数化的MEMS器件模型，所述评估在所述系统建模环境与所述MEMS部件库之间的通信建立之后在所述电路仿真或者协同仿真的每个时间步长处发生。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中输出所述MEMS器件模型还包括：
输出表示所述MEMS器件模型的符号，所述符号被放置在所述简图编辑器中的简图中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述符号包括表示用于所述MEMS器件模型的电连接的管脚。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中管脚的数量是用户在创建所述MEMS器件模型时可配置的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将参数化的布局单元从所述3D设计环境向所述系统建模环境中的布局编辑器或者观察器输出以允许所述布局单元的显示，所述参数化的布局单元被用于生成所述MEMS器件的所述布局的可视实例。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述选择多个参数化的部件还包括：
指示所述被选择的参数化的部件中的一个的至少一个参数在所述3D设计环境以及所述系统建模环境的至少一个中被隐藏或者被暴露。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的至少一个包括材料参数。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的至少一个包括制造工艺参数。
12.一种设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机实现的方法，所述方法包括：
将参数化的MEMS器件模型输入到系统建模环境中，从多个参数化的部件在3D设计环境中创建所述参数化的MEMS器件模型，所述参数化的部件中的每一个均与行为模型相关联；
将表示所述参数化的MEMS器件模型的符号连接到所述系统建模环境中的简图中，所述简图显示集成电路(IC)设计；并且
在所述系统建模环境中执行所述简图的电路仿真或者协同仿真。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将参数化的布局单元从所述3D设计环境输入到所述系统建模环境中的布局编辑器中；并且
根据所述参数化的布局单元产生所述MEMS器件的布局实例。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
向所述3D设计环境输出所述被执行的电路仿真或者协同仿真的结果。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中包含用于所述MEMS器件模型的连通性信息的网表由所述系统建模环境从所述3D设计环境接收。
16.一种存储用于设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机可执行指令的计算机可读介质，当所述指令被执行时其导致计算设备：
经由三维(3D)设计环境选择多个参数化的部件，所述参数化的部件中的每一个均与行为模型相关联；
用所述被选择的多个参数化的部件在所述3D设计环境中创建参数化的MEMS器件模型；并且
将所述MEMS器件模型输出到系统建模环境中用于在电路仿真或者协同仿真中使用。
17.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中所述指令还导致所述计算设备：
接收在所述系统建模环境中被执行的简图设计的电路仿真或者协同仿真的结果，所述结果在所述3D设计环境中被接收；并且
在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果。
18.如权利要求17所述的介质，其特征在于，其中用于显示所述结果的指令的执行导致所述计算设备：
当在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果时动态模拟所述MEMS器件的运动。
19.如权利要求17所述的介质，其特征在于，其中所述指令的执行导致所述计算设备：
在所述电路仿真或者协同仿真期间评估使用MEMS部件库的所述参数化的MEMS器件模型，所述评估在所述系统建模环境与所述MEMS部件库之间的通信建立之后在所述电路仿真或者协同仿真的每个时间步长处发生。
20.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中用于输出所述MEMS器件模型的所述指令的执行导致所述计算设备：
输出表示所述MEMS器件模型的符号，所述符号被放置在所述简图编辑器中的简图中。
21.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中所述符号包括表示用于所述MEMS器件模型的电连接的管脚。
22.如权利要求21所述的介质，其特征在于，其中管脚的数量是用户在创建所述MEMS器件模型时可配置的。
23.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中所述指令的执行导致所述计算设备：
在所述显示之后将参数化的布局单元从所述3D设计环境向布局编辑器输出，所述布局单元被用于生成所述MEMS器件的布局。
24.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中用于选择多个参数化的部件的指令的执行导致所述计算设备：
将所述被选择的参数化的部件中的一个的至少一个参数标识为在所述3D设计环境以及所述系统建模环境的至少一个中被隐藏或者被暴露。
25.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的至少一个包括材料参数。
26.如权利要求16所述的介质，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的至少一个包括制造工艺参数。
27.一种存储用于设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机可执行指令的计算机可读介质，当所述指令被执行时其导致计算设备：
将参数化的MEMS器件模型输入到系统建模环境中，从多个参数化的部件在3D设计环境中创建所述参数化的MEMS器件模型，所述参数化的部件中的每一个均与行为模型相关联；
将表示所述参数化的MEMS器件模型的符号连接到所述系统建模环境中的简图中，所述简图显示集成电路(IC)设计；并且
在所述系统建模环境中执行所述简图的电路仿真或者协同仿真。
28.如权利要求27所述的介质，其特征在于，其中所述指令的执行还导致所述计算设备：
将参数化的布局单元从所述3D设计环境输入到布局编辑器中；并且
根据所述参数化的布局单元产生所述MEMS器件的布局。
29.如权利要求27所述的介质，其特征在于，所述介质还包括：
向所述3D设计环境输出所述被执行的电路仿真或者协同仿真的结果。
30.如权利要求27所述的介质，其特征在于，其中包含用于所述MEMS器件模型的连通性信息的网表由所述系统建模环境从所述3D设计环境接收。
31.一种用于设计以及模拟微机电系统(MEMS)器件的计算机实现的系统，所述系统包括：
作为三维(3D)MEMS设计环境以及系统建模环境的主机或者与三维(3D)MEMS设计环境以及系统建模环境通信的计算设备，所述3DMEMS设计环境允许：
经由所述三维(3D)MEMS设计环境选择多个参数化的部件，所述参数化的部件中的每一个均与行为模型相关联；
用所述被选择的多个参数化的部件在所述3D设计环境中创建参数化的MEMS器件模型；
将所述MEMS器件模型输出到所述系统建模环境中；并且
接收利用所述被输出的MEMS器件模型在所述系统建模环境中被执行的简图设计的电路仿真或者协同仿真的结果，所述结果在所述3D设计环境中被接收；以及
与所述计算设备通信的显示设备，所述显示设备在所述3D设计环境中显示所述电路仿真或者协同仿真的结果。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的一个包括材料参数。
33.如权利要求31所述的系统，其特征在于，其中所述被选择的参数化的部件中的一个包括制造工艺参数。
34.如权利要求31所述的系统，其特征在于，其中所述结果在所述3D设计环境中的显示动态模拟所述MEMS器件的运动。
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