[发明专利]一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法

说明书

本发明提出了一种基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，将MEMS器件的线性物理过程和非线性物理过程分离，通过对MEMS器件线性物理过程进行系统识别，建立MEMS器件线性时不变传递函数模型。再将MEMS器件非线性物理过程通过硬件描述语言耦合到传递函数模型中，实现整个MEMS器件物理过程宏模型建模。最后，将硬件描述语言封装的完整MEMS器件宏模型，导入到IC仿真工具中进行系统级的协同仿真。本发明以MEMS电容式加速度计宏模型建模过程为例，介绍基于系统识别法的MEMS器件宏模型建模方法，其他类型器件也可进行相同的分析与建模。

技术领域

本发明属于MEMS器件仿真领域，涉及MEMS器件的系统识别宏模型建模方法。

背景技术

MEMS器件经过许多年的发展，器件功能越来越多样，多物理场与非线性过程交织，导致对器件结构与物理机理仿真越来困难，同时制约了MEMS系统级仿真设计的发展。宏模型建模技术的提出正是为了克服这些不利因素，将器件的物理行为简化成黑盒模块，从而实现系统级的建模仿真，提高微系统传感器设计和优化效率。传统宏模型建模是基于等效电路法，通过将器件物理过程等效为电路中电阻、电感、电容的电学行为，从而实现非电域与电域的转换，有利于实现MEMS器件与接口电路的协同仿真。然而，不同的几何结构与物理机制大大增加了等效电路法的复杂程度，降低了等效电路法的通用性。本发明提出了一种基于系统识别方法的MEMS器件宏模型建模方法，将MEMS器件物理过程划分为线性过程和非线性过程。对线性过程进行系统识别，非线性的物理过程使用Verilog A硬件描述语言描述，最后将两者通过Verilog A硬件描述语言进行耦合封装，构建出能够插入到系统级电路仿真工具Virtuoso的MEMS器件宏模型，从而实现MEMS器件物理行为与接口电路协同仿真的目的。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服传统有限元数值计算时间长、无法进行系统级仿真的不利因素，同时也为了克服等效电路法不通用的限制，提供了一种基于系统识别方法的MEMS器件宏模型建模通用方法。通过将MEMS器件线性与非线性物理过程拆分，对器件的线性物理过程进行线性有限元分析以及传递函数模型的系统识别，对非线性物理过程通过Verilog A硬件描述语言进行描述。最终，将非线性过程与线性过程的传递函数模型进行耦合，实现了一种较为通用的MEMS器件宏模型建模方法。经过Verilog A封装的MEMS器件宏模型可以实现MEMS-IC协同仿真。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提出一种基于系统识别的MEMS器件宏模型建模方法，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。