МЭМС датчики никогда не работают сами по себе – всегда есть интегральная схема специального назначения (ASIC), которая определяет выходные данные или управляет МЭМС-устройством. Мы часто писали в прошлых блогах, а также есть информация и в справочной системе Coventor о барьере между командами разработчиков МЭМС и ASIC. Для целей функциональной проверки ASIC разработчикам необходим блок с базовой моделью МЭМС-устройства в их схемах, который воспроизводит поведение МЭМС. Проблемы возникают из-за того, что команды разработчиков МЭМС и ASIC использует фундаментально разные подходы для моделирования работы их схем. Разработчики МЭМС устройств используют инструменты для анализа конечных элементов в то время, как ASIC разработчики используют симуляторы плат аналоговых/смешанных сигналов такие как Cadence Spectre. Просто невозможно включить конечно-элементную модель в симуляторе схем, да и даже если бы было возможно, то моделирование работало бы настолько медленно, что не было бы никакого практического смысла в его использовании.

Чтобы преодолеть эту несовместимость, все МЭМС компании, с которыми мы сотрудничают, полагаются на ручное описание своих моделей МЭМС-устройств на языке таком, как Verilog-A, который совместим с симулятором схем команды разработчиков ASIC. Это требует много времени, специальные знания и умения для ручного описания и верификации модели МЭМС‑устройства на Verilog-A. Из-за технической сложности созданные вручную модели очень упрощены, упущены важные аспекты поведения МЭМС такие, как перекрестная связь между механическими режимами и нелинейными эффектами. Более того, необходимо поддерживать синхронизацию между такими моделями и реальными МЭМС проектами, что влечет сильные искажения версий и появление множественных человеческих ошибок. Конечным результатом, несомненно, являются дополнительные конструкторские работы, которые требуют больших материальных затрат, а также увеличивают срок выхода готового устройства на рынок. Рисунок ниже иллюстрирует данный барьер между разработчиками.

Разработчики компании Coventor постарались разрушить этот барьер, реализовав инструмент MEMS+^® системы CoventorMP в 2008. Модели конечных элементов MEMS+ моделируют на порядки быстрее, чем обычные модели конечных элементов, и они совместимы с Cadence Spectre и APS. В новой версии инструмента MEMS+ добавлен еще один способ передачи информации между разработчиками МЭМС и ASIC. В MEMS+ добавлена новая дополнительная возможность для экспорта моделей сокращенного порядка (ROM) в формат Verilog-A. Что имеется ввиду под сокращенным порядком модели? Для понимания представим типичную MEMS+ модель гироскопа с несколькими сотнями степеней свободы (внутренние переменные в симуляторе схемы). Экспортированная модель сокращенного порядка (ROM) будет иметь около 10 степеней свободы! Но эти модели не только моделируются очень быстро, обычно в 50-250 раз быстрее оригинальных моделей MEMS+, но и так же быстро, как и очень упрощённые, сделанные вручную модели, а реализация в формат Verilog-A делает их совместимыми с большинством коммерческих симуляторов A/MS.

Как это часто бывает в мире моделирования, существует компромисс между скоростью и точностью использования полных моделей MEMS+ и моделей Verilog-A сокращенного порядка. Например, полные MEMS+ модели включают все нелинейные эффекты и они полностью параметрические, когда модели Verilog-A включают только несколько выбранных нелинейных эффектов и они не параметрические. Тем не менее тестирования инструмента MEMS+ пользователями показали отличные результаты согласования между полными моделями и моделями сокращенного порядка в номинальных условиях эксплуатации. Теперь ASIC разработчики используют модели сокращенного порядка Verilog-A, тем самым большая часть времени им остается на разработку и оптимизацию своих схем, а также теперь они могут использовать и оценить полные модели MEMS+ для исследования экстремальных случаев и диагностики аномального поведения. С MEMS+ теперь есть два прекрасных способа передачи информации между разработчиками МЭМС и ASIC.

Отзывы пользователей продуктов Coventor об этой новой совместной работе получают положительные оценки. Разработчики ASIC оценили возможности инструмента MEMS+ и подтвердили точность и скорость экспортированной Verilog-A модели для их коммерческого проекта гироскопа. Также и многие другие наши клиенты оставили восторженные комментарии от использования новой функции.

Режимы управления и считывания двухосевого гироскопа, смоделированного в MEMS+ (слева), модель сокращенного порядка Verilog-А с нелинейностями Кориолиса и смещением постоянного тока в схеме (вверху справа) и переходное моделирование амплитуды управления и выходного сигнала датчика (внизу справа)