Инновационные МЭМС-резонаторы быстро заменяют обычные кварцевые резонаторы с рынком в 4,5 миллиарда долларов. В отличие от кварца, МЭМС-резонаторы можно уменьшить в размерах, чтобы лучше соответствовать форм-фактору, необходимому для портативных беспроводных устройств и автомобильных систем. Резонаторы на основе МЭМС также могут быть интегрированы с их схемами управления, предлагая полное решение в одном корпусе, который экономит ценное пространство на плате. Эти преимущества, вместе с более низкими требованиями к мощности, высокой надежностью и улучшенной температурной стабильностью, присущей устройствам МЭМС, являются убедительными аргументы в пользу резонаторов на основе МЭМС.

МЭМС-резонатор

Задачи проектирования

Чтобы сделать резонаторы на основе МЭМС коммерчески жизнеспособными, разработчикам необходимо согласовать характеристики фазового шума, температурную стабильность и точность частоты кварцевых кристаллов, используя при этом преимущества размера, стоимости и мощности, которые возможны с МЭМС-технологией.

После определения первоначальных требований (размер, рабочей частота и импеданса), конструкторы исследуют соотношения между допустимой мощностью, характеристиками фазового шума, температурой и стабильностью частоты.

Для достижения оптимальной производительности для их конкретной конструкции обычно используются анализ методом конечных элементов (FEA) и такие инструменты, как Spice. Эти инструменты мучительно медлительны, они привносят новые неопределенности, и очень часто конструктора просто возвращаются к «проверенному и верному» подходу сборки и тестирования. Это значительно ограничивает исследование конструкции, значительно увеличивает затраты и время разработки.

Методология гибридного проектирования резонаторов Coventor ставит под сомнение статус-кво. Наша интегрированная платформа обеспечивает чрезвычайно быстрое исследование планирования эксперимента (DOE), высокую точность и детальную проверку, а также возможность работы со всей конструкцией системы МЭМС + ИС. В следующих главах, Вы узнаете об этом больше.

Новая методология гибридного проектирования

1. Быстрое исследование конструкции

Во-первых, геометрия создается с использованием элементов электромеханической библиотеки, которые могут быть расширены переменными, уравнениями и различными допусками для создания параметрического проектирования. Моделирование выполняется на этой полной электромеханической системе в сочетании со статистическими решателями для создания оптимизированных конструкций. Моделирование Монте-Карло может быть использовано для повышения производительности.

Рисунок 1: Геометрии, соответствующие рабочей частоте - 3.37МГц, 2.40МГц, 2.80МГц.

Поскольку эти моделирования чрезвычайно быстры и включают критические нелинейности, они позволяют конструкторам создавать сотни потенциальных решений и изучать эффекты связи и другие интересующие характеристики, прежде чем переходить к определенной архитектуре.

Рисунок 2: Минимальное воздействие анкера на 250 мкм длину соединительной балки

Исследование влияния длины соединительной балки на резонансную частоту показано на рисунке 2. Используя интерфейс Coventor с MATLAB^® из MathWorks^® , моделирование запускается с использованием скрипта MATLAB, в котором задается интересующая форма колебаний и длина соединительных балок. Подход Coventor автоматически извлекает частоту моды для интересующей формы моды (даже если количество мод изменяется). Общее время решения составило менее 3 минут (размер шага 10 мкм и 384 степеней свободы). Это быстрое время анализа (по сравнению со стандартной МКЭ) открывает путь к гораздо большему количеству исследований конструкции, чем когда-либо ранее было возможно.

2. Добавление подробного анализа с помощью Анализатора полей

Моделирование нелинейностей, вызванных электромеханическим размягчением пружин, отталкиванием и притяжением, чрезвычайно важно для разработки конструкции резонатора. Следовательно, разработчик МЭМС фокусируется на всех этих аспектах на этапе исследования конструкции в процессе проектирования (см. Раздел 1). Однако для обеспечения большей уверенности в численных результатах может потребоваться дополнительная проверка с использованием МКЭ. Например, моделирование методом конечных элементов с использованием связанных электромеханических моделей может обеспечить окончательную проверку требуемых допущений линейности.

Подход Coventor к сопряженному электромеханическому моделированию основан на гибридном методе конечных элементов (МКЭ)/граничных элементов (МГЭ). Для расчета электростатических сил и моментов с помощью МГЭ требуется только сетка на поверхности любой конструкции. Этот метод позволяет избежать необходимости создания сетки бесконечного объема, окружающего проводники, что требуется при использовании традиционного электростатического моделирования методом конечных элементов. Подход БЭМ не только более эффективен с точки зрения вычислений, но и позволяет избежать необходимости перераспределять объем между двумя проводниками, когда они входят в контакт. Этот метод позволяет исследовать сложные электромеханические явления на стандартных вычислительных платформах.

Рисунок 3: Величина поля смещения в подложке, показывающая исходящую акустическую волну

Инженер-конструктор также может исследовать различные механизмы потерь: Газовое демпфирование, акустическое излучение через анкеры (т.е. потеря анкера) и термоупругое демпфирование (TED). Coventor предоставляет специализированные алгоритмы, инструменты и опыт для решения этих задач. На рисунке 4 (ниже) показаны несколько вариантов конструкции, которые были исследованы, чтобы минимизировать влияние TED и соответствующих им прогнозируемых Qs.

Рисунок 4: Вариант конструкции для минимизации термоупругого демпфирования - Q= 26550,330383 и 26800

Кроме того, инженер-разработчик может использовать анализ методом конечных элементов компании Coventor для исчерпывающего анализа отказов, например, добавления сопряжений для минимизации напряжения (см. рис. 5). Платформа проектирования CoventorMP полностью интегрирована и обеспечивает возможность импорта готовых или твердотельных моделей конструкций корпусов и выполнения термомеханического анализа. Характеристики резонатора можно оценить на системном уровне, предоставив результаты напряжений/деформаций на уровне устройства в инструменты моделирования на системном уровне. Только CoventorMP предлагает этот уникальный подход к проектированию МЭМС, сочетающий мощность и скорость поведенческого анализа с точностью метода конечных элементов.

Рисунок 5: Изучение влияния размера сопряжения на распределение напряжений

3. Моделирование системы МЭМС + ИС

Интеграция 3D МЭМС-устройства со схемой управления датчиком и проверка производительности с помощью точного моделирования на испытательном стенде системы на кристалле (SOC) является сложной, но критически важной задачей на пути к коммерциализации резонатора МЭМС. Для решения этой проблемы инженеры- конструкторы могут использовать модели Coventor с "лучшими в своем классе" системами и инструментами для проектирования схем от Cadence^® или The Mathworks^®. CoventorMP автоматически извлекает модели МЭМС и генерирует модели эквивалентных схем, избегая трудоемких усилий по ручной разработке и извлечению моделей. Это дает инженеру-конструктору больше времени для изучения соотношений на уровне схемы, в рамках конструкции МЭМС.

Рисунок 6: Интеграция МЭМС + ИС в Cadence Virtuoso^®.

В методологии Coventor используются полностью параметрические и нелинейные конечные элементы высшего порядка на основе метода конечных элементов. Эти элементы могут быть объединены, как строительные блоки, в модель МЭМС устройства. Эта методология позволяет избежать трудностей, возникающих при использовании традиционных методов, таких как необходимость извлечения эквивалентных схем. Используя CoventorMP, мы можем быстро включить проект МЭМС в моделирование схем и систем, а также выявить механические и электростатические нелинейности в конструкции (смотрите Рисунок 7).

Рисунок 7: Влияние температуры и смещения постоянного тока на выходной ток

Комплексная платформа для проектирования МЭМС резонаторов

У Coventor есть проверенная платформа для проектирования МЭМС резонаторов, которая предоставляет разработчикам решения для широкого круга критических задач. Эти задачи варьируются от моделирования сложных многодоменных, мультифизических свойств чувствительного элемента и связанной с ним электроники до моделирования на системном уровне, анализа корпуса и повышения производительности изготовления.

У этого нового гибридного подхода много преимуществ. Поскольку физика, лежащая в основе МЭМС-резонатора, включена в модель пониженного порядка MEMS+, разработчикам больше не нужно создавать модель пониженного порядка или эквивалентную модель из данных метода конечных элементов и/или аналитических выражений. Это экономит драгоценное время и ресурсы. Кроме того, эти модели являются полностью параметрическими, что позволяет проектировщикам быстро исследовать эффекты изменений конструкции и процессов, которые было просто нецелесообразно делать с использованием других методов.

Платформа CoventorMP использует лучшие в своем классе симуляторы, такие как Spectre^® и / или Matlab / Simulink^® , так что разработчики получают наилучшее сочетание точности и производительности. Поскольку Coventor, Cadence и Mathworks продолжают совершенствовать алгоритмы своих инструментальных платформ, инженеры-разработчики резонаторов реализуют экспоненциальное увеличение производительности и скорости. Методологии создания и тестирования, а также индивидуальные внутренние программы просто не успевают за непрерывным развитием хорошо организованных коммерческих достижений.

Источники:

1. Yu-Wei Lin, Seungbae Lee, Zeying Ren, Yuan Xie, Clark Nyugen, “Series Resonant VHF Micromechanical Resonator Reference Oscillators”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 39, NO. 12, DECEMBER 2004

Источник: https://www.coventor.com/mems-solutions/resonators/