微机电系统中三维实体到标准工艺版图的转换方法

摘要

一种微机电系统中三维实体到标准工艺版图的转换方法，其实现步骤如下：步骤一、三维实体文件信息提取和文件信息分类；步骤二、实体记录信息分类；步骤三、实体记录信息重构，同时将重构结果称为记录树；步骤四、从步骤三的实体记录信息重构结果中提取用于转换的顶面信息；步骤五、对步骤四所得到的面按边进行排序；步骤六、生成标准版图文件。这种微机电系统中三维实体到标准工艺版图的转换方法是一种完全独立的、不依赖任何第三方软件的、基于文件到文件的三维实体到标准工艺版图的转换方法，转换过程简洁高效，有较广泛的应用前景。

说明书

(一)所属技术领域

本发明涉及微机电系统中三维实体到标准工艺版图的转换方法，属于微机电系统设计领域。

(二)背景技术

目前，微机电系统一般的设计方法是首先绘制器件的版图，进行相应的设计规则检查之后，进行三维重构得到器件的三维实体模型，再对此三维实体模型进行性能仿真。如果仿真结果不符合设计要求，则修改版图，重构三维实体并重新仿真，如此迭代多次直到满足设计要求为止，最后将经多次修改的版图用于加工制版。可见，这是一种低效的设计方法，存在以下不足：一是要求设计者必须精通版图绘制；二是每次迭代都需要对版图进行三维重构，过程复杂，效率低下。而一种比较理想的设计方法是首先构造器件的三维实体，并进行性能仿真直至满足要求，最后将三维实体转换为标准工艺版图输出，用于进一步的制版。这样即可避免繁杂的器件版图绘制与耗时的三维重构过程。因此，三维实体到标准工艺版图的转换方法是该设计方法的核心技术。

德国达姆施塔特理工大学提出了一种三维实体到标准工艺版图的转换方法。该方法首先构造器件的三维实体模型，并将三维实体模型导入到有限元分析软件ANSYS中；然后在ANSYS环境下，对此三维实体模型进行有限元网格划分，使用ANSYS自带功能抽取网格划分后实体的点、线、面等几何信息，并分类保存；再将保存的几何信息导入到一个“转换器”中，该“转换器”利用ANSYS提供的编程接口，使用C++语言编程实现，能将抽取的三维实体模型几何信息以标准工艺版图格式输出，并以多边形为单元保存为标准工艺版图文件。

由上所述，该方法虽然可以实现三维实体到标准工艺版图的转换，但也存在一些明显的不足：转换过程需要依赖ANSYS完成；必须对三维实体模型进行有限网格划分，才能抽取实体模型的点、线、面等几何信息，以完成到标准工艺版图的转换。使用ANSYS使得整个转换过程十分繁琐，且要求用户必须购买ANSYS软件；对三维实体模型进行网格划分又延长了转换过程的时间。

(三)发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种完全独立的、不依赖任何第三方软件的、基于文件到文件的三维实体到标准工艺版图的转换方法，能够将器件的三维实体直接转换为标准工艺版图，并将工艺版图存为标准的CIF文件格式。

涉及三维实体的一些基本概念：

1、拓扑：拓扑是指一个三维实体模型中不同对象之间的层次关系。在三维实体模型中，拓扑对象之间是通过指针方式相互关联的。三维实体模型的拓扑结构中一般包括以下拓扑对象：

体：实体对象的最高层次，是块的集合。

块：空间中相对独立的、体的一部分，块与块之间不相互关联，其表面由壳构成。

壳：块的表面组成的集合，用于界定块的内部或外部区域。

面：由环界定的曲面中的连通部分。

环：由面的边界构成。

有向边：表示面对边的引用。

边：由顶点界定的线。

顶点：体、面、线的角点。

2、几何：几何是指三维实体中纯粹的几何元素，如点、线、面等，几何描述的是实体的几何尺寸、形状以及位置参数。

本发明实现微机电系统设计工具中一种三维实体到标准工艺版图的转换方法的技术方案在于：首先，读取一种三维实体格式的文件，进行三维实体文件信息提取1，并进行文件信息分类2，文件信息包括文件头信息，实体记录信息和文件结束信息。其中文件头信息包括文件的版本号、实体数、长度单位、精度等信息；实体记录信息包括实体的拓扑信息、几何信息和属性信息，它们还可进行细分，即实体记录信息分类3；文件结束信息即结束符。其次，对分类后的实体记录信息按层次进行树状重构，即实体记录信息重构4，建立信息之间的层次结构图，并将这个层次结构图称为记录树。然后逐层遍历记录树，根据记录树对象之间的层次关系，提取三维实体文件中的所有顶面信息，确定三维实体相应顶点的坐标。最后，根据顶点坐标创建器件的完整版图，并以标准CIF格式输出，即生成标准版图文件5。

实现该方法的具体步骤如下：

步骤一：进行三维实体文件信息提取1和文件信息分类2，并在此基础上进行实体记录信息分类3。

首先，按行读取一种三维实体格式的文件，提取所有文件信息并存储在相应的寄存器中。

其次，对寄存器中的文件信息分类。文件信息可分解为文件头、实体记录信息和文件结束标识符三部分。其中文件头又可再分为文件的版本号、实体数、长度单位、精度等信息；实体记录信息是文件的关键组成部分，包括实体的拓扑信息、几何信息和属性信息；文件结束标识符是文件读取结束的标志，不必再分。

再次，对实体记录信息进行细分。其中拓扑信息指出了实体对象之间的层次关系，按层次从高到低依次可分解为体、块、壳、面、环、有向边、边和顶点；几何信息指出了各几何元素的尺寸参数和位置参数等几何信息，包括面、线、点；属性信息表征实体的某些属性，可以分解为实体的颜色、偏移等，可用于区分不同实体。需要说明的是，尽管有的拓扑信息对象和几何信息对象的名称一样，但他们的含义不同，例如：在拓扑信息里，顶点只是拓扑层次中的一个对象，而几何信息的点表示的是顶点坐标值。将细分后的实体记录信息按记录名称分别存储在相应的寄存器中。

步骤二：进行实体记录信息重构4，将重构结果称为记录树。重构方法如下：

1)：遍历所有体，根据体与相应属性的指针对应关系查找每个体的属性，包括颜色、偏移等，将所有属性信息存入相应体中，并将所有体置于记录树的最顶层，一个三维实体文件可能包含多个体，这些体在拓扑结构中位于同一层次。

2)：再次遍历所有体，根据体与块的指针对应关系查找属于每个体的所有块，并将这些块分别存储在相应体的下一层中，置于记录树的第二层。

3)：遍历所有块，根据块与壳的指针对应关系查找属于每个块的所有壳，并将这些壳分别存储在相应块的下一层，置于记录树的第三层。

4)：遍历所有壳，根据壳与面的指针对应关系查找属于每个壳的所有面，并将这些面存储在相应壳的下一层，置于记录树的第四层。

5)：将面分为拓扑面与几何面，并依此分别形成拓扑面子记录树6和几何面子记录树7，拓扑面和几何面分别置于相应子记录树的顶层。

6)：遍历所有拓扑面，根据拓扑面与环的指针对应关系查找属于每个拓扑面的所有环，并将这些环存储在相应拓扑面的下一层中，置于记录树的第五层，拓扑面子记录树6的第二层。同时将几何面分为平面与曲面，由于三维实体文件到标准工艺版图文件的转换只针对规则几何体，因此可以忽略对曲面的进一步操作。

7)：遍历所有环，根据环与有向边的指针对应关系查找属于每个环的所有有向边，并将这些有向边存储在相应环的下一层，置于记录树的第六层，拓扑面子记录树6的第三层。然后转到几何面子记录树7，遍历所有平面，根据平面与线的指针对应关系查找属于每个平面的所有线，再将线分为直线和圆两类，其它类型的线可以忽略；将直线和圆存储在相应平面的下一层，置于记录树的第五层，几何面子记录树7的第二层。

8)：遍历所有有向边，根据有向边与边的指针对应关系查找每条有向边所对应的边，并将其存入相应有向边的下一层，置于记录树的第七层，拓扑面子记录树6的第四层。在三维实体的拓扑结构中，有向边和边的含义是不一样的，有向边表示的是边在环中出现的情况，它是有方向的，有向边的方向和其所在面的法向量遵守右螺旋规则，而边是没有方向的，它完全由端点界定；因此，一条有向边只能和唯一一条边相对应，反之则不成立，例如：一个长方体含有12条边，但却有24条有向边。然后转到几何面子记录树7，遍历所有直线和圆，对于直线，获取其端点坐标；对于圆，获取圆心坐标与半径，并存储在相应线的下一层，置于几何面子记录树7的最底层。

9)：遍历所有边，根据边与顶点的指针对应关系查找属于每条边的两个顶点，并将其存入相应边的下一层，置于记录树的第八层，拓扑面子记录树6的第五层。

10)：遍历所有顶点，根据顶点与坐标的指针对应关系查找每个顶点的坐标，并将其存入相应顶点的下一层，置于记录树的最底层，拓扑面子记录树6的最底层。

至此，实体记录信息全部重构完毕。

步骤三：从步骤二的实体记录信息重构4结果中提取用于转换的顶面信息。根据组成面的所有顶点的Z坐标值可把面分成侧面、顶面和底面，由于三维实体文件到标准工艺版图文件的转换从几何上看实际上是三维实体顶面的投影。因此，进行面分类的目的就是要找到每个体的顶面信息。具体方法如下：遍历所有体，对于每个体，比较每个面的所有顶点Z坐标，如果存在两个点的Z坐标不相等，则此面必定为侧面，可以忽略；如果组成面所有点的Z坐标都相等，则此面或者是顶面，或者是底面。然后从提取的所有顶面和底面中各取一点，比较Z坐标，则Z坐标值大的都记为顶面，也即是转换为标准工艺版图文件所需的面。将得到的所有面存入其所属的壳中，同时删除其它面信息。

步骤四：对步骤三所得到的面按边进行排序。具体排序方法如下：遍历所有面，对于任意一个面，首先将每条边的顶点按提取的坐标先后顺序分别设为始点和终点，然后任取一条边作为初始边，遍历所有剩余边，如果某条边的始点和第一条边的终点完全重合，则将其作为该面的第二条边，再以第二条边为当前边，遍历所有剩余边，如果找到某条边的始点和第二条边的终点完全重合，则将其存为第三条边，如此循环，直到所有边排序完毕。如果面的边界由圆构成，则无需排序，因为只要确定圆心坐标和半径，圆的位置就完全确定。将排序结果存入相应寄存器中。

步骤五：生成标准版图文件5。将上述排序完毕的所有面的边按顺序逐条取出，依次将各条边的始点作为所生成版图的顶点，如果上表面为圆，则将圆心坐标和半径作为版图文件参数，并生成相应的工艺版图文件。按照标准CIF版图文件格式生成版图文件。

1)：遍历所有体，根据体的颜色属性确定实体所属的版图层名称，如结构层名称可设为CPS。

2)：根据体的顶面的形状属性，按照CIF文件提供的标准命令行格式输出绘图命令，其中每条命令行输出一个简单几何图形，如圆、矩形、多边形等。

3)：输出几何图形的参数信息，对于圆，输出圆心坐标与半径信息，对于多边形，按步骤五中的边的顺序依次输出顶点坐标。

4)：确定当前版图层输出完毕后开始输出下一层，然后重复前面操作，直至版图输出完毕。

5)：输出文件结束符，表示标准版图文件输出结束。

本发明是一种完全独立的、不依赖任何第三方软件的、基于文件到文件的三维实体到标准工艺版图的转换方法，能够将器件的三维实体直接转换为标准工艺版图，不受软件约束，转换过程简洁高效，有较广泛的应用前景。

(四)附图说明

图1是本发明提出的从三维实体文件到标准工艺版图文件的转换方法流程图

图2是实体记录信息的详细分类图

图3是实体记录信息重构的详细流程图

图4是德国达姆施塔特理工大学提出的三维实体文件到标准工艺版图文件转换的流程图

图5是一个微机械陀螺的三维实体模型图

图6是利用本发明提出的三维实体到标准工艺版图转换方法得到的陀螺结构层的版图

图中1为三维实体文件信息提取，2为文件信息分类，3为实体记录信息分类，4为实体记录信息重构，5为生成标准版图文件，6为拓扑面子记录树，7为几何面子记录树。

(五)具体实施方案

一种微机械陀螺的三维实体到标准工艺版图的转换过程：

图5是一种微机械陀螺的三维实体示意图，该陀螺的拓扑结构含有一个体、一个块、一个壳，陀螺结构相对复杂，所包含的面、环、边等信息较多。转换方法如下：首先，读取该微机械陀螺的三维实体文件信息；并对三维实体文件信息进行分类；进而对实体记录信息按层次重构，得到实体记录信息的记录树；再从记录树中提取三维实体的顶面信息，按照面的形状、顶点坐标分别使用相应的命令行参数绘制版图，并存为标准工艺版图文件。

该微机械陀螺的三维实体到标准工艺版图的转换方法包括六个步骤：

步骤一：陀螺三维实体文件信息提取1和文件信息分类2以及在此基础上进行的实体记录信息分类3。按行读取陀螺三维实体文件信息，并将所有信息存储在寄存器中。然后对寄存器中的文件信息分类，根据信息特征可分为：文件头、实体记录信息和文件结束标识符。其中文件头包括文件的版本号、实体数、长度单位、精度等信息；实际记录信息又可分为拓扑信息、几何信息和属性信息；定义拓扑信息、几何信息和属性信息三个结构体，将该陀螺三维实体文件的体、块、壳、面、环、有向边、边和顶点等信息存储在拓扑信息结构体中，将面、边、顶点坐标等信息存储在几何信息结构体中，将颜色、偏移等属性信息存储在属性信息结构体中。

步骤二：对陀螺三维实体文件的实体记录信息进行重构。提取步骤二中三个结构体中存储的实体记录信息，按记录信息对象所在的拓扑层次对信息进行重构，得到一个按层次结构排列实体记录信息的记录树。

步骤三：从步骤二中记录树的所有面中提取陀螺的顶面。通过比较每个面的所有顶点的Z坐标值，提取出三维实体到二维版图转换所需的微机械陀螺三维实体模型的顶面，将此顶面存入其所属壳中，同时删除陀螺其它面信息。

步骤四：对步骤三中的顶面按边进行排序。首先对顶面每条边的顶点按提取的坐标顺序分别设为始点和终点，任取顶面的一条边，遍历所有剩余边，如果某条边的始点和第一条边的终点完全重合，则将其作为顶面的第二条边，然后以第二条边为当前边，用同样的方法设置其始点和终点，遍历所有剩余边，如果找到某条边的始点和第二条边的终点完全重合，则将其存为第三条边，如此循环，直到所有边排序完毕。

步骤五：存储标准工艺版图文件。所有版图均可视作是由一些简单几何图形组合而成，这些图形主要有三种：矩形、多边形和圆，在版图文件里，不同的几何图形其绘图命令不同。矩形作为多边形的一种特殊情况，既可以直接使用矩形的绘图命令，也可以使用多边形的绘图命令，为了绘图简单，在此将矩形作为多边形的特殊情况处理，即使用多边形的绘图命令。微机械陀螺的顶面由矩形和多边形组成，因此，可按如下方法输出标准工艺版图文件：遍历步骤四中顶面信息的所有矩形和多边形，对于每个矩形或多边形，首先调用多边形绘图命令，然后按顺序将矩形或多边形的顶点坐标依次放在绘图命令后。

最后，输出版图文件的结束标识符，并将版图文件存为标准CIF文件，得到如图6所示的微机械陀螺结构层版图。