[发明专利]一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法

权利要求书

1.一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，分析MEMS器件物理机制，将MEMS器件涉及的多能量域分开处理，将MEMS器件物理过程分为线性物理过程和非线性物理过程；

步骤2，在有限元软件中对MEMS器件的传感结构进行三维实体建模，确保三维模型几何，尺寸、结构、材料参数与真实MEMS传感器保持一致；

步骤3，线性物理过程由于其过程简单，涉及的物理能量场单一，使用有限元仿真分析MEMS器件的线性单物理场过程，对步骤2中的三维实体模型施加线性物理约束条件，进行有限元仿真，得到线性物理过程的输入输出有限元仿真瞬态响应数据；

步骤4，使用线性传递函数描述线性物理过程的输入输出关系，使用系统识别方法，对步骤3获得的有限元仿真瞬态数据进行系统识别；根据所得到的数据特征，选择在频率域或者时间域中进行系统识别，从而得到MEMS器件线性物理过程的输入输出传递函数；

步骤5，使用Verilog A硬件描述语言对非线性过程的物理表达式进行描述，将非线性物理过程或其他物理能量域，耦合到步骤4所识别的线性传递函数中，通过Verilog A硬件描述语言对整个MEMS器件物理过程进行封装，建立MEMS器件宏模型，将包含完整物理过程的MEMS器件宏模型导入到系统级电路仿真工具中进行MEMS-IC协同分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步骤1中，所述线性物理过程和非线性物理过程中，机械运动、热传导过程往往是线性物理过程，在MEMS器件的材料参数恒定、工作环境稳定的条件下，使用传递函数描述该过程的输入输出关系；静电力、电磁场、热对流物理过程满足的物理方程是非线性的，使用VerilogA硬件描述语言对非线性物理方程进行描述，从而简化整个MEMS器件物理过程的分析。

3.根据权利要求2所述的一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，所述线性物理过程和非线性物理过程中，以MEMS电容式加速度计为例，在不考虑电容极板间的静电力时，整个物理过程等效为线性弹簧阻尼系统，质量块的位移与施加在质量块上的外界加速度满足线性关系，加速度计传感质量块的运动方程：

（1）

其中，m是质量块质量，b是极板间空气阻尼系数，k是悬臂梁劲度系数，x(t)是偏离平衡位置的位移变化量，是质量块所受惯性加速度；对上式（1）进行Laplace变换后：

（2）

其中，s是复变量，x(s)表示复频域的位移，表示复频域的加速度，m是质量块质量，b是极板间空气阻尼系数，k是悬臂梁劲度系数；

考虑梳齿电容极板之间的静电力，将其等效为施加在质量块上的一个惯性力，这个梳齿电容极板间的静电力F_e是极板间距的非线性函数：

（3）

其中，N表示梳齿数量，ε表示材料介电常数，d表示初始极板间距，x表示偏离初始位置的位移，l表示梳齿电极长度，h为重叠部分极板厚度，V为电容极板间电压差；因此，将MEMS电容式加速度传感器分为弹簧质量阻尼的线性过程和电容极板间静电力非线性过程。

4.根据权利要求1所述的一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步骤2中，所述对MEMS器件的传感结构进行三维实体建模，以MEMS电容式加速度计为例，其传感结构包括质量块、可动与固定的梳齿电容以及连接质量块的悬臂梁结构，固定电极板又分为敏感电极和驱动电极。

5.根据权利要求1所述的一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其特征在于，步骤3中，所述对步骤2中的三维实体模型进行有限元仿真；首先是三维实体模型的网格划分，其次是对线性物理过程的边界条件赋予，求解得到线性物理过程的输入输出有限元仿真瞬态响应数据。