基于节点分析法的MEMS行为级可视化建模与仿真系统

摘要

MEMS与IC之间最大的区别就是MEMS具有三维拓扑结构并且具有机械运动特性,因此,在MEMS的设计过程中就需要考虑所设计的器件其机械性能是否达到设计的要求。这就需要MEMS设计工具能够提供一种快速、直观、准确的MEMS器件行为级建模与仿真功能。然而随着MEMS器件结构的复杂化,对于MEMS器件机械性能的仿真越来越复杂,往往会涉及多能域的问题,而且现有的MEMS行为级仿真工具所提供的仿真结果多为数值形式,对于具有三维拓扑结构的MEMS器件来说,这样的仿真工具缺乏直观的表达,因此,对MEMS行为级可视化建模与仿真系统的研究具有十分重要的意义。 本文以MEMS的系统级仿真方法--节点分析法为基础,以虚拟现实技术为工具,提出了可视化的MEMS行为级建模与仿真系统。并结合可扩展的参数化IP库,实现设计的可重用性,最终形成了以参数化IP库为核心,节点分析法为基础,广泛应用虚拟现实技术的可视化MEMS行为级建模与仿真系统。整个系统包含了两项关键技术：可视化建模技术--虚拟组装、可视化仿真技术--虚拟运行。 基于节点分析法的虚拟组装在传统三维实体建模理论的基础上,体现了节点分析法的核心思想,即部件之间的组装表现为各个部件节点之间的连接。这就决定了虚拟组装不只是器件拓扑结构的组装,而且包含了器件中各个部件物理规律的组装,通过节点相互连接的部件之间具有连续变化的物理参数。虚拟组装以IP库中储存的部件作为组装的来源,组装后生成的器件模型可以导入到虚拟运行中进行行为级的仿真过程。 基于节点分析法的虚拟运行实现了分析与仿真过程的同步。虚拟运行的核心是器件的动态模型,包括运动学模型和动力学模型。其中,运动学模型的建模和求解借助于节点分析法的静态分析和有限元计算理论中的广义线性化特征；动力学模型的求解则应用了振动理论中模态的概念,通过各阶模态的叠加得到器件的动力学模型,在实现中则借助于节点分析法的模态分析结果。在此基础上,实现了基于节点分析法的运动学和动力学的虚拟运行。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第一节MEMS和MEMS CAD简介

第二节MEMS设计方法以及研究现状

第三节本文的研究内容

第二章基于参数化IP库的MEMS设计系统

第一节基于IP库的设计系统概述

2.1.1基于IP库的设计方法

2.1.2虚拟现实技术与MEMS CAD的结合

2.1.3自顶向下和自底向上相结合的设计流程

2.1.4系统总体结构图

第二节可扩展的参数化IP库

2.2.1参数化IP库的概念

2.2.2 IP部件的逻辑描述

2.2.3 IP库中其他内容

第三节虚拟组装

2.3.1虚拟组装的概念

2.3.2虚拟组装的基本流程

第四节虚拟运行

2.4.1虚拟运行的概念

2.4.2通用的可视化行为级仿真方法

2.4.3动态模型建模方法

第五节虚拟工艺

2.5.1虚拟工艺的概念

2.5.2基于Voxel的虚拟工艺

2.5.3虚拟工艺与虚拟运行的接口

第三章基于节点分析法MEMS行为级可视化建模方法——虚拟组装

第一节节点分析法

3.1.1节点分析法概述

3.1.2节点分析法的基本原理

3.1.3基本单元模型

第二节基于节点分析法的虚拟组装

3.2.1概述

3.2.2部件的分类及描述

3.2.3部件的连接

3.2.4定制部件的实现

第四章基于节点分析法的MEMS行为级可视化仿真方法——虚拟运行

第一节运动学模型的求解方法

4.1.1广义线性化特征

4.1.2基于有限元计算的动态建模

4.1.3基于节点分析法的运动学模型求解方法

第二节动力学模型的求解方法

4.2.1模态叠加法

4.2.2单自由度线性系统的动力响应

4.2.3多自由度线性系统的动力响应

4.2.4非线性系统的动力响应

第三节基于节点分析法的虚拟运行

4.3.1基于节点分析法的运动学虚拟运行

4.3.2基于节点分析法的动力学虚拟运行

第五章基于SUGAR的MEMS行为级可视化建模与仿真系统

第一节SUGAR简介

5.1.1 SUGAR的特点

5.1.2 SUGAR的基本结构

5.1.3 MEMS器件的netlist描述

5.1.4 netlist解析流程

第二节基于SUGAR的虚拟组装实现方法

5.2.1 Coin3D显示引擎

5.2.2部件的拾取

5.2.3部件的碰撞检测

5.2.4虚拟组装实例

第三节基于SUGAR的虚拟运行实现方法

5.3.1三维可视化及实时技术

5.3.2 netlist在虚拟运行的显示

5.3.3虚拟运行的仿真流程

5.3.4基于SUGAR的虚拟运行框架

第四节基于SUGAR的可视化MEMS行为级建模和仿真实例

5.4.1微悬臂梁的建模和仿真

5.4.2微谐振器的建模和仿真

5.4.3微膜片的建模和仿真

5.4.4双端四梁电容式微加速度计的虚拟运行

第六章结论和展望

第一节结论

第二节展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果