CN111400833B - 一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种热式风速传感器Verilog‑A宏模型建模方法：该发明主要考虑热式风速传感器的热对流和热传导效应，利用宏模型技术将器件各种不同条件下的热传导和热辐射效应耦合到器件模型中，形成器件的单元模型，之后通过直接调用此单元模型以及系统仿真的方式来预测整个集成电路的响应特性；利用此方法可以有效地模拟所设计的传感器在特定风速条件下的功能和性能，为传感器和接口电路的协同设计提供参考依据，减少流片次数，极大的降低成本，加快研发周期，提高效率。

Description

一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模方法
技术领域
本发明涉及一种传感器的Verilog-A的宏模型建立方法，特别涉及一种热式风速传感器的Verilog-A的宏模型建立方法。
背景技术
MEMS热风传感器作为流量传感器的扩展，可以同时检测气流速度和二维方向。一个完整的MEMS系统包含传感器、执行器以及相应的信号处理电路，这样可以提高系统性能和可靠性。为缩短设计周期、降低成本，迫切需要有相应的CAD工具进行系统级设计。
当前，针对热式风速传感器的模拟，大多是通过选取适当材料参数，确定负载及边界条件，用数值模拟的方法(如有限元法、边界元法或有限差分等)仿真器件特性，这样的方法不仅费时，而且费力，不适用于系统级的设计。为实现系统级的模拟，利用等效电路法建立器件的宏模型是常用的一种方法。它是根据电和非电的类比，将非电部分用相应的电路表示。其主要优点是可以清楚了解器件的动态特性，进行小信号分析。但由于这样的集中参数模型描述的是传感器的总体特性，因此，一旦器件几何尺寸或元件位置有任何变化，都需要重新建立模型；
而硬件描述语言(如Verilog-A)可以克服这些缺点，即根据能量守恒定律，建立起一组表征热式风速传感器动态特性的常微分方程和代数方程，然后对其描述。它不仅可对MEMS器件作大信号分析也可作小信号分析。最终可以形成相应的库单元，以便利用现有的系统级仿真软件(如cadence)和电路一起进行模拟，以便优化。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，以形成较为准确、完整、且可以充分反映恒功率和恒温差工作状态下热式风速传感器的响应特性的基本器件单元模型，之后通过直接调用单元模型以及系统仿真的方式来预测整个传感器系统电路的电热学响应特性，为热式风速传感器的系统电路设计提供参考依据。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)：根据热式风速传感器的材料与结构，建立热式风速传感器简化模型，获取传感器的工艺参数，包括传感器尺寸、传感器材料密度、比热容、热导率和换热系数；步骤2)：根据步骤1)的简化模型，全面分析热式风速传感器的热传导和热对流的响应特性，获得热式风速传感器的热域响应方程；
Figure BDA0002409335190000021
其中，
Figure BDA0002409335190000022
为归一化的温度，ρ为芯片的密度，c为比热容，k为热导率，h为换热系数；
步骤3)：在步骤2)的基础上将热式风速传感器的热域响应方程泰勒级数展开并将其中的热学参数转换成对应的电学参数，具体为将温度信号转化为电压信号、热流信号转换为电流信号、热阻信号转换为电阻信号、热容信号转换为电容信号，获得热式风速传感器的电热学响应方程；
Figure BDA0002409335190000023
步骤4)：基于步骤3)得到的热式风速传感器等效电学响应特性，根据电学原理中的KCL定律：节点(x0,y0)处流出的总电流
Figure BDA0002409335190000024
等于电容
Figure BDA0002409335190000025
电阻
Figure BDA0002409335190000026
流入节点(x0,y0)的电流，由此可以建立热式风速传感器的等效电路模型；
步骤5)：将步骤4)中得到的热式风速传感器的等效电路模型进行工作模式拓展，将恒功率加热模式和恒温差工作模式下的热式风速传感器的电学响应特性叠加到等效电路模型中，获得可以反映电路系统控制的热式风速传感器模型；
步骤6)：将步骤5)中的热式风速传感器模型用Verilog-A语言进行封装，Verilog-A语言描述包括四个部分：第一部分根据步骤1中的器件特性进行参数定义；第二部分根据步骤3中的电学参数进行等效电路单元的数值定义；第三部分根据步骤4中的电热学响应方程进行等效电路的行为特性描述；第四部分根据步骤5中的工作模式拓展进行传感器Verilog-A模型的工作模式的行为描述。最终形成相应的virtuoso单元库，获得最终可在cadence中直接调用的热式风速传感器的Verilog-A宏模型。
作为本发明的一种改进，步骤1)中所述的热式风速传感器的工艺参数是基于已知的器件结构和材料特性进行工艺参数提取得到的；所述特定材料的热式风速传感器材料，其中包括硅衬底材料和陶瓷衬底材料，材料的参数特性可以在宏模型中直接更改。
作为本发明的一种改进，步骤2)中的表征热对流和热传导的响应特性需要对传感器结构进行单元划分，依次根据测温电阻，加热电阻，测温电阻分成三块。
作为本发明的一种改进，步骤4)中的等效电路模型，需要将相应方程中的热学参数等效为电学参数，其中热容对应电容，热阻对应电阻，热流对应电流。
作为本发明的一种改进，步骤5)中所述的恒功率加热状态，其中：用恒流源表示恒功率加热；所述的恒温差加热方式，其中：用一个电压控制电压源和电压控制电流源表示恒温差加热。
作为本发明的一种改进，步骤6)中所述的Verilog-A宏模型，可以及时更改模型参数，如尺寸、材料密度并实时反映传感器的功能变化不需要重复进行模型建立的步骤。并且最终可在cadence中直接调用与后续接口电路进行联合仿真设计。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)本发明对现有的建模方法进行了改进，提出了一种热式风速传感器的Verilog-A宏模型建模法。由于芯片表面的温度与室温相比并不是很高，对于风速传感器的热学分析时，可以忽略热辐射影响。在热式风速传感器模型建立时，仅考虑芯片热传导和热对流的影响；2)该方案中测试结构简单，方法简便，同时，由于本发明将热式风速传感器在恒功率和恒温差控制电路中的行为特性耦合到热式风速传感器的模型中，使得该传感器模型可以直接与接口电路链接，进行协同仿真；3)另外，此发明中用Verilog-A语言对传感器行为特性进行描述封装，建立单元模型，可以实时更改传感器器件参数如传感器尺寸和材料密度等，不需要重复进行模型建立的步骤。并且可以在电路设计软件中直接调用，实现了传感器与接口电路协同设计的要求。
附图说明
图1是为硅衬底的热式风速传感器的结构；
图2是该发明的流程图；
图3是传感器单元划分以及传感器单元模型；
图4是热式风速传感器等效电路模型；
图5是热式风速传感器恒功率加热模式芯片温度与风速的关系；
图6是热式风速传感器恒温差加热模式芯片加热功率与风速的关系。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，本发明的方法适用于硅衬底以及陶瓷衬底的热式风速传感器。下面以硅工艺的热式风速传感器为例，结合图3所示的流程图，说明本发明的具体实施过程。
实施例：参见图2，一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)：根据热式风速传感器的材料与结构，建立热式风速传感器简化模型，获取传感器的工艺参数，包括传感器尺寸、传感器材料密度、比热容、热导率和换热系数；
步骤2)：根据步骤1)的简化模型，全面分析热式风速传感器的热传导和热对流的响应特性，获得热式风速传感器的热域响应方程；
Figure BDA0002409335190000041
其中，
Figure BDA0002409335190000042
为归一化的温度，ρ为芯片的密度，c为比热容，k为热导率，h为换热系数；
步骤3)：在步骤2)的基础上将热式风速传感器的热域响应方程的热学参数转换成对应的电学参数，获得热式风速传感器的电热学响应方程；
步骤4)：基于步骤3)得到的热式风速传感器等效电学响应特性，可以建立热式风速传感器的等效电路模型；
步骤5)：将步骤4)中得到的热式风速传感器的等效电路模型进行工作模式拓展，将恒功率加热模式和恒温差工作模式下的热式风速传感器的电学响应特性叠加到等效电路模型中，获得可以反映电路系统控制的热式风速传感器模型；
步骤6)：将步骤5)中的热式风速传感器模型用Verilog-A语言进行封装，形成相应的virtuoso单元库。Verilog-A语言描述包括四个部分：第一部分根据步骤1中的器件特性进行参数定义；第二部分根据步骤3中的电学参数进行等效电路单元的数值定义；第三部分根据步骤4中的电热学响应方程进行等效电路的行为特性描述；第四部分根据步骤5中的工作模式拓展进行传感器Verilog-A模型的工作模式的行为描述。获得最终可在cadence中直接调用的热式风速传感器的Verilog-A宏模型。
步骤1)中所述的热式风速传感器的工艺参数是基于已知的器件结构和材料特性进行工艺参数提取得到的；所述特定材料的热式风速传感器材料，其中包括硅衬底材料和陶瓷衬底材料。材料的参数特性可以在宏模型中直接更改。
步骤2)中的表征热对流和热传导的响应特性需要对传感器结构进行单元划分，依次根据测温电阻，加热电阻，测温电阻分成三块。
步骤4)中的等效电路模型，需要将相应方程中的热学参数等效为电学参数，其中热容对应电容，热阻对应电阻，热流对应电流。
步骤5)中所述的恒功率加热状态，其中：用恒流源表示恒功率加热；所述的恒温差加热方式，其中：用一个电压控制电压源和电压控制电流源表示恒温差加热。
应用实施例：
首先选定4000um*4000um尺寸的硅材料热式风速传感器，然后基于现有的尺寸结构和材料特性获得所有表征热式风速传感器的工艺参数(如芯片密度、比热容、热导率、传热系数等)。图1为该热式风速传感器的结构图。
工艺参数提取完成后，为了建立传感器流体-热学模型，需要对CMOS风速传感器的结构进行一些简化。考虑到芯片纵向传导热阻远小于芯片表面的对流热阻，芯片纵向截面的温度近似均匀一致，故只考虑二维水平方向的温度分布。由于芯片表面的温度与室温相比并不是很高，对于风速传感器的热学分析时，可以忽略热辐射影响。在本章的风速传感器模型中，仅考虑芯片热传导和热对流的影响。根据材料特性，建立传感器单元的导热微分方程：
Figure BDA0002409335190000051
其中，
Figure BDA0002409335190000052
为归一化的温度，ρ为芯片的密度，c为比热容，k为热导率，h为换热系数；泰勒级数展开之后可得：
Figure BDA0002409335190000053
上式可以写成图3所示的集总热路的形式：
Figure BDA0002409335190000061
其中，
Figure BDA0002409335190000062
为热容，
Figure BDA0002409335190000063
为热传导引起的热阻，
Figure BDA0002409335190000064
为热对流引起的热阻。如图3(a)(b)所示，传感器的一维模型由三个单元构成，一个加热单元，两个测温单元。如图3(c)所示每个单元由导热和对流的热敏电阻和热容组成。基于该模型，可以计算传感器表面上的温度分布。根据热参数和电参数之间的类比关系，热流类似于电流，温度类似于电压。Rcond为热传导引起的热阻,Rcond为热对流引起的热阻,CT为热容。
Figure BDA0002409335190000065
Figure BDA0002409335190000066
Figure BDA0002409335190000067
其中：
Figure BDA0002409335190000068
ka为空气的热导率，ν为动态粘滞系数。
热式风速传感器单元模型建立之后，建立传感器整体模型，并对其进行不同控制方式的耦合包括恒温差控制方式和恒功率控制方式。由于热式风速传感器的加热电阻特性与热学、电学以及流体运动有关，因此需要对加热电阻的特性进行热学拓展，以得到热式风速传感器的加热电阻在恒温差和恒功率控制方式下的解析表达式。
电阻的阻值和温度的一阶效应可以由下式来表示
R＝R0[1+αR(TR-T0)]
其中R表示温度为TR时的电阻值，R0是温度为T0时的电阻值，αR是一阶温度系数。当在加热条上施加电压驱动时，整个系统为一阶非线性，可以用下面的方程表示：
Figure BDA0002409335190000069
其中，V为驱动电压，R为加热电阻，TR为加热条温度，CT和RT为系统的集总热容和热阻。恒功率加热时，
Figure BDA0002409335190000071
为恒定值，可以用一个恒流源表示恒功率加热；恒温差加热时TR为定值，加热电阻两端电压是一个与温度有关的函数，可以用一个电压控制电压源来表示，用一个电压控制电流源来表示加热功率，最终获得在不同控制模式下的热式风速传感器模型。等效电路模型如图4所示。
最后，利用硬件描述语言(Verilog-A)技术，将热式风速传感器等效电路描述封装成一个单元模型，可以与接口电路进行协同设计。将恒功率和恒温差控制方式下热式风速传感器的热传导热对流效应耦合到器件模型上，获得最终可直接调用的热式风速传感器的Verilog-A宏模型。图5-6给出了此Verilog-A宏模型建立完成后的模型验证图，其中图5为恒功率加热模式下芯片温度和风速的关系，图6为恒温差工作模式下加热功率和风速的关系。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模方法，其特征在于，所述包括如下步骤：
步骤1)：根据热式风速传感器的材料与结构，建立热式风速传感器简化模型，获取传感器的工艺参数，包括传感器尺寸、传感器材料密度、比热容、热导率和换热系数；
步骤2)：根据步骤1)的简化模型，全面分析热式风速传感器的热传导和热对流的响应特性，获得热式风速传感器的热域响应方程；
Figure FDA0002409335180000011
其中，
Figure FDA0002409335180000012
为归一化的温度，ρ为芯片的密度，c为比热容，k为热导率，h为换热系数；
步骤3)：在步骤2)的基础上将热式风速传感器的热域响应方程的热学参数转换成对应的电学参数，获得热式风速传感器的电热学响应方程；
步骤4)：基于步骤3)得到的热式风速传感器等效电学响应特性，建立热式风速传感器的等效电路模型；
步骤5)：将步骤4)中得到的热式风速传感器的等效电路模型进行工作模式拓展，将恒功率加热模式和恒温差工作模式下的热式风速传感器的电学响应特性叠加到等效电路模型中，获得可以反映电路系统控制的热式风速传感器模型；
步骤6)：将步骤5)中的热式风速传感器模型用Verilog-A语言进行封装，形成相应的virtuoso单元库，获得最终可在cadence中直接调用的热式风速传感器的Verilog-A宏模型。
2.根据权利要求1所述的一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，其特征在于：步骤1)中所述的热式风速传感器的工艺参数是基于已知的器件结构和材料特性进行工艺参数提取得到的；所述特定材料的热式风速传感器材料，其中包括硅衬底材料和陶瓷衬底材料。
3.根据权利要求1所述的一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，其特征在于：步骤2)中的表征热对流和热传导的响应特性需要对传感器结构进行单元划分，依次根据测温电阻，加热电阻，测温电阻分成三块。
4.根据权利要求1所述的一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，其特征在于：步骤4)中的等效电路模型，需要将相应方程中的热学参数等效为电学参数，其中热容对应电容，热阻对应电阻，热流对应电流。
5.根据权利要求1所述的一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，其特征在于：步骤5)中所述的恒功率加热状态，其中：用恒流源表示恒功率加热；所述的恒温差加热方式，其中：用一个电压控制电压源和电压控制电流源表示恒温差加热。
6.根据权利要求1所述的一种热式风速传感器Verilog-A宏模型建模法，其特征在于：步骤6)中所述的Verilog-A单元模型，及时更改模型参数，并且最终可在cadence中直接调用与后续接口电路进行联合仿真设计。
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