автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин

На правах рукописи

003062377

Федоров Роман Александрович

8Р1СЕ-МОДЕЛИ КОНДЕНСАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 05 27 01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых

эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007 г

003062377

Работа выполнена в Государственном учреждении Научно- производственный комплекс «Технологический центр» Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научные руководитель1

доктор технических наук Шелепин Н А

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Зайцев Н А

кандидат технических наук Дьяченко Ю Г

Ведущая организация ОАО "Ангстрем"

Защита состоится £3 2007 года в // ^ в

аудитории 3103 на заседании Диссертационного совета Д212 13401 при Московском государственном институте электронной техники (государственном университете) по адресу 124498, г Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан « // г

Ученый секретарь Диссертационного совета,

д т н , проф

Неустроев С А

АКТУАЛЬНОСТЬ

При разработке интегральных схем (ИС) приема и обработки сигналов с преобразователей физических величин (ПФВ) большое значение имеет возможность высококачественного совместного их моделирования Зачастую, проведение подобного моделирования обуславливает принципиальную возможность создания проекта, его качество, сроки и стоимость

Большое количество ПФВ в настоящее время выполняется в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС) Наиболее известными программами, предназначенными для проектирования МЭМС, являются Matlab, SUGAR, EM3DS, IntelliSuite, NÖDAS, ANSYS Существуют программы способные проводить моделирование МЭМС с последующим определением электрических характеристик преобразователей Наиболее широкими возможностями обладает программа CoventorWare, которая позволяет комплексно исследовать вопросы управления, механики и электроники МЭМС Однако, в CoventorWare расчет модели устройства, составленной из электромеханических элементов, происходит по неизвестным разработчику соотношениям и зависимостям Это осложняет анализ результатов моделирования и поиск правильного решения при разработке устройств

Следует отметить, что указанная программа имеет достаточно высокую стоимость Это делает ее недоступной для большинства отечественных разработчиков ПФВ и МЭМС на их основе

Для проектирования систем на основе ПФВ конденсаторного типа возможен более простой и дешевый подход, основанный на построении SPICE-модели ПФВ, учитывающий влияние электрической схемы и физической

величины Метод построения моделей основан на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение ПФВ в программе схемотехнического моделирования

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - исследование и создание 8Р1СЕ-моделей преобразователей физических величин конденсаторного типа для практического проектирования емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов

Основные ЗАДАЧИ, которые нужно было решить для достижения цели

1) Провести анализ существующих методов совместного моделирования ПФВ и электрических схем,

2) Определить математические уравнения, описывающие поведение ПФВ конденсаторного типа,

3) Разработать комплекс операций для построения 8Р1СЕ-моделей конденсаторных ПФВ на основе системы математических уравнений, описывающих поведение чувствительного элемента,

4) Разработать БРЮЕ-модели ПФВ конденсаторного

типа,

5) Провести анализ достоверности разработанных ЭРГСЕ-моделей,

6) Разработать и исследовать характеристики сложных функциональных блоков ИС путем совместного моделирования электрической схемы и электростатического микрофона

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов полученных в настоящей работе, заключается в следующем

1 Разработан комплекс математических и компьютерных операций, обеспечивающих создание БРЮЕ-моделей емкостных преобразователей физических величин, который заключается в следующем

1) создается система уравнений, описывающая движение чувствительного элемента и влияние электростатических сил,

2) задаются начальные и граничные условия для системы уравнений;

3) заданная система уравнений представляется в графическом редакторе программы Р8Р1СЕ в виде схемы, состоящей из математических выражений, переменных и управляемых источников,

4) полученная схема преобразуется в текстовый вид с описанием внутренних элементов и внешних выводов,

5) для дальнейшего использования в качестве библиотечного элемента создается условное графическое обозначение преобразователя с привязкой на текстовый вид схемы,

6) полученная система уравнений решается численным методом при помощи математического аппарата программы Р8Р1СЕ,

7) выполняется определение параметров БРЮЕ-модели конкретного ПФВ и проверка ее достоверности,

2 Разработана БРГСЕ-модель конденсаторного микрофона, позволяющая определять собственную частотную характеристику чувствительности в зависимости от конструктивных параметров преобразователя и параметров электрической схемы усиления сигнала,

3 Показана принципиальная возможность совместного моделирования дифференциальной емкостной

микромеханической системы (EMC), электрической схемы управления и внешней физической величины

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в процессе работы над диссертацией

Разработанный комплекс математических и компьютерных операций для построения SPICE-моделей позволяет

1 Создавать SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин,

2 Проводить оптимизацию конструкции преобразователя и электрической схемы управления, приема и обработки сигнала от преобразователя с целью достижения высоких технических характеристик всей системы

С помощью разработанной модели конденсаторного микрофона проведена оптимизация и разработана микросхема формирователя импульсов, которая производится в НПК «Технологический центр» МИЭТ

РЕАЛИЗАЦИЯ результатов диссертации заключается в использовании разработанных SPICE-моделей в ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ в рамках выполненных работ

1 НИР «Разработка SPICE-моделей, библиотеки элементов и правил проектирования микроэлектромеханических систем и интегрированных систем типа «МЭМС+ИС», шифр - «Микромодель», № ГР У85739, 2005г -196 с

2 НИР «Исследование методов минимизации энергопотребления цифро-аналоговых БИС», №592-ГБ-53-Гр асп -ЛИТ 2004г. - 24 с

3 НИР «Настройка программы PSPICE для организации смешанного моделирования аналого-цифровых микросхем на основе АЦБК», №644 -ГБ-53-ЛИТ 2005г. - 32 с

4 ОКР «Разработка и изготовление БИС формирователя импульсов», шифр - «Корпус», ГК № 05-22н

5 ОКР «Разработка библиотеки стандартных ячеек для проектирования микропотребляющих цифро-аналоговых микросхем», шифр - «Лимит», ГК № 2006/251/06-06н/1

6 НИР «Исследование возможности создания СБИС речевого кодека», шифр - «Юность-СБИС», ГК № 2005/418/ 0523 н

АПРОБАЦИЯ результатов диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены докладами на научно технических конференциях

• 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2004», (Москва, Зеленоград, апрель 2004г ),

• 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», (Москва, Зеленоград, апрель 2005г),

• V Международная научно-технической конференции «Электроника и информатика-2005», (Москва, Зеленоград, ноябрь 2005г )

По материалам диссертации ОПУБЛИКОВАНО 13 работ, включая 4 статьи, 3 доклада на научно - технических конференциях, 4 отчета по НИР и 2 отчета по ОКР

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ

1 Комплекс математических и компьютерных операций для построения БРЮЕ-моделей конденсаторных преобразователей физических величин.

2 БРГСЕ-модель конденсаторного микрофона, позволяющая моделировать перемещение металлизированной

мембраны микрофона, звуковое давление и электрическую схему усиления сигнала

3 Результаты исследования схемы, поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента SPICE-модели дифференциальной ЕМС:

а) зависимость амплитуды, частоты резонансных колебаний подвижного элемента колебательной системы от постоянной составляющей напряжения раскачки ЕМС,

б) возможность применения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для проведения оптимизации конструкции преобразователей

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Содержание диссертации изложено на 95 страницах, включая 38 рисунков и 5 таблиц В приложении представлен акт об использовании материалов диссертации при выполнении НИР в НПК «Технологический центр» МИЭТ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту

В ГЛАВЕ 1 проведен аналитический обзор существующих вариантов совместного моделирования преобразователей физических величин и электрических схем приема и обработки сигналов с них

Рассмотрены возможности систем схемотехнического моделирования, из которых следует, что максимальной

точностью и достоверностью обладают классические SPICE-подобные программы схемотехнического моделирования, которые основаны на машинном составлении системы дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений

Рассмотрены возможности систем моделирования МЭМС. Наиболее широкими возможностями обладает программа CoventorWare, которая позволяет комплексно исследовать вопросы управления, механики и электроники МЭМС.

В CoventorWare расчет модели устройства, составленной из электромеханических элементов, происходит по неизвестным разработчику соотношениям и зависимостям Это осложняет анализ результатов моделирования и поиск правильного решения при разработке устройств Многим отечественным разработчикам ПФВ на основе МЭМС большинство таких программ пока остается недоступным.

Рассмотрены методы совместного моделирования электрических схем и МЭМС на примере беспроводного МЭМС микрофона, микромеханического конденсатора и акселерометра с обратной связью

В рассмотренных примерах электрическое моделирование МЭМС осуществляется независимо от механического путем составления эквивалентных схем или схем замещения В этой ситуации не учитывается влияние электрической схемы приема, обработки и передачи сигналов с преобразователей физических величин на их основные узлы В результате, некоторые решения практических задач имеют неудовлетворительный результат.

В ГЛАВЕ 2 показана возможность совместного моделирования одноосной дифференциальной ЕМС, разработанной на основе параметров полученных в программе ANSYS, совместно с электрической схемой Пример

конструктивного блока элементарной ячейки интегральной ЕМ С представлен на рисунке 1. Ячейка - это условный конструктивный блок, состоящий из одной подвижной и двух неподвижных обкладок емкостной ЕМС. В реальной конструкции число таких ячеек может достигать нескольких десятков.

Анкер

Упругий подвес

Упругий подвес Анкер

Ячейка

Неподвижные обкладки

Инерционная масса

Подвижная обкладка

Рисунок 1 - Пример конструктивного блока элементарной ячейки интегральной ЕМС.

Произведен расчет основных параметров ЕМС:

- собственная и резонансная частоты;

- добротность и коэффициент силы торможения;

- зависимость добротности от коэффициента демпфирования;

- зависимость резонансной частоты ЕМС от коэффициента силы торможения.

Возможность описания зависимых источников с помощью передаточных функций, в программе PSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), позволяет моделировать схемы, состоящие из электронных компонентов и функциональные узлы различного уровня сложности

Показано соотношение расчетных значений с результатами моделирования ЕМС в программе PSPICE

В подобных системах электрическая схема считывания и управления формирует электростатические силы между обкладками дифференциального конденсатора Раскачивание инерционной массы происходит за счет поочередного притягивания и отталкивания подвижной обкладки

Выходной электрический сигнал с ЕМС проходит последовательно следующие стадии

1 считывание,

2 усиление,

3 преобразование

После преобразования сигнал поступает на вход дифференциальной микромеханической системы для формирования отклонения подвижного элемента Колебания подвижного элемента возникают за счет электростатических сил

Проведено моделирование дифференциальной ЕМС совместно с электрической схемой, поддерживающей резонансные колебания По результатам моделирования определены

зависимость частоты и амплитуды резонансных колебаний подвижного элемента ЕМС от значения постоянной составляющей управляющего сигнала (рисунок 2),

зависимость частоты и амплитуды резонансных колебаний подвижного элемента от значения коэффициента жесткости упругого подвеса ЕМС (рисунок 3)

4 850

4 550-J----

0 0 25 0 5 0 75 i о

Значение VDC сигнала управления ЕМС, В

Рисунок 2 - зависимость резонансной частоты колебаний подвижного элемента ЕМС от значения постоянной составляющей управляющего сигнала ЕМС

Показан результат моделирования- переходной процесс установления резонансных колебаний всей системы на основе дифференциальной ЕМС (рисунок 4) Представлены значения электростатических сил (в), входного и выходного сигналов (б) и амплитуда колебаний подвижного элемента от положения равновесия (а)

Запуск колебательной системы осуществляется в результате внешнего воздействия - небольшого ускорения заданного микромеханической системе

м щ S

10 2 0 4 0 6 0

Коэффициент жесткости упругого подвеса, к

S

Ьй

S

§ 20 3 0 40 5 0 5 8

С Частота колебаний подвижного элемента, кГц

в)

Рисунок 3 - зависимость амплитуды (а) и резонансной частоты (б) колебаний подвижного элемента ЕМС от коэффициента жесткости упругого подвеса, в) параметрический анализ по переменному току при изменении А: от 1 до 6 с шагом 0,2

в о я

Е

а

Ю U <и

О

S <

2.2 л

м 5

S

о

0

га

%

я [Я Cits;

1

и *

о

о с

2,0 -

1.8

Время установления сигнала обратной связи АРУ

АРУ - автоматическая регулировка усиления

Е

8 о

=t О X £0 и

я г ■и 2" га х го

О

S

ш

си О

Э 9

х ^

о

и „

Я

(=

2 8 ! а ь м

3J -

m и

ас <и т

«J

го

-

я

О J

6.0 ■

4.0 -

2.0 ■

Результат воздействия внешней физической величины

SJICT2

0

10 20 Время, мс

30

38

Рисунок 4 - Переходной процесс установления резонансных колебаний ЕМС.

L4

Полученные результаты подтверждают достоверность разработанных моделей и возможность их практического применения для анализа при разработке ЕМС и систем на их основе

В ГЛАВЕ 3 разработана 5Р1СЕ-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин Показана практическая возможность моделирования перемещения металлизированной мембраны конденсаторного микрофона, звукового давления и электрической схемы усиления сигнала

Определены основные математические уравнения, описывающие поведение узлов конденсаторного микрофона Так, согласно второму закону Ньютона, уравнение движения металлизированной мембраны выглядит как

й2х п йх , £ £ • У.1 т-г - Р 5 - Г)--к • х + ------! 2—

(П2 А 2 (х0 - х)2

9

где

Р - давление звука (Па/м2), 5 - эффективная площадь электродов (м2), т - масса подвижного элемента (кг), к -жесткость пружины (Н/м), х - перемещение массы относительно положения равновесия (м), г] - коэффициент демпфирования (Н-с/м), ¥¡2- напряжение на обкладках (В), е - диэлектрическая постоянная (Ф/м)

На основе уравнения движения металлизированной мембраны в программе Р8Р1СЕ разработана схема конденсаторного микрофона, состоящая из математических уравнений, управляемых источников и переменных, для моделирования

На основе схемы разработана БРЮЕ-модель конденсаторного микрофона и ее условное графическое обозначение(рисунок 5)

Р2

р

с

хс

Р1

Рисунок 4 - условное графическое обозначение БРЮЕ-модели

• Р — вход для задачи звукового давления,

• Р1 и Р2 — выводы обкладок емкостного преобразователя,

• ХС — тестовый вывод для контроля расстояния между обкладками емкостного преобразователя,

• С — тестовый вывод для контроля значения емкости преобразователя.

Для соответствия размерностей переменных принято, что значение переменной в вольтах в программе Р8Р1СЕ соответствует значению этой переменной в единицах СИ

В таблице 1 представлены основные параметры БРЮЕ-модели конденсаторного микрофона Для приближения полученных характеристик к характеристикам конкретного образца конденсаторного микрофона допускается изменение значений параметров модели и электрической схемы

конденсаторного микрофона

Таблица 1 Параметры модели конденсаторного микрофона

Параметры Размерность Значение

т — масса металлизированной мембраны кг 5,0 т9

г] - коэффициент силы торможения (демпфирования) Нс/м 3,0 10"5

к — коэффициент жесткости металлизированной мембраны Н/м 8,0

5" - площадь перекрытия обкладок м2 50 -10"6

Хо — расстояние между обкладками м 30,0 10"6

е - диэлектрическая постоянная Ф/м 8,85 10"12

Проведено моделирование конденсаторного микрофона в программе РЭПСЕ совместно со схемой усиления По результатам моделирования определена их совместная частотная характеристика чувствительности и представлен переходной процесс изменения (рисунок 5)

а) - звукового давления,

б) - напряжения на обкладках конденсатора,

в) - расстояния между обкладками конденсатора,

г) - значения емкости преобразователя

Разработанная БРЮЕ-модель конденсаторного микрофона является удобным инструментом для моделирования сложных динамических систем

СЗ

(U С о

и 22

° В

Ьй X

^ й и ч

го S

СЗ

СО «Я

Я S

li <D

я о.

я о

W н

м сз

« я

О. £

I«

Ж о и

20 1

£ К о S

и Я

Я «

О

сз О.

-500 J

б) напряжение на конденсаторе

S «

2

S 5 ее

ii

« н сз сз ч " _ .¡с я

Н VO а>

о о «

; 500-

со а. о

250 •}

о ьг

0

в) расстояние между обкладками конденсатора

я е

g §

S н

« СЗ

ё 8

i 5

й о<

Й О

Я (L)

го а. с

150 100 50 0 ^

50 100 150 200

Время, мс

г) значение емкости преобразователя

Рисунок 5 - временная диаграмма моделирования конденсаторного микрофона в программе PSPICE

В таблице 2 приведены сравнительные характеристики микрофона К11С212 и его БРГСЕ-модели На рисунке 6 представлена сравнительная частотная характеристика чувствительности МКЭ -3 его БРГСЕ-модели

Есть возможность в 8Р1СЕ-модели любой параметр представить виде функции от температуры

Таблица 2 Сравнительные характеристики микрофона 1ШС2123 и его БРГСЕ-модели

Параметр 8Р1СЕ -модель КиС2123

Чувствительность на частоте 1000Гц, мВ/Па 10 10

Диапазон частот, Гц 40-16000 50-15000

Напряжение питания, В 4,5 4,5

Неравномерность ЧХ в полосе частот 5-20000Гц, Б 10 12

100

ш ч

из"

н о о

¡Е -о

с: <и н я о н

о

т >>

:г

-10 0

10

Частота, кГц

Рисунок 6 - сравнительная частотная характеристика чувствительности 1ШС2123 его ЭРГСЕ-модели

В ГЛАВЕ 4 проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока

Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим значениям

Разработана структурная схема совместного моделирования электретного микрофона и интегральных схем в программе PSPICE.

С использованием разработанных моделей осуществлена практическая разработка интегральных схем микрофонного усилителя и формирователя импульсов

По результатам моделирования микросхемы микрофонного усилителя определены:

- зависимость коэффициента усиления от номинала внешнего подстроечного резистора,

- зависимость амплитуды выходного сигнала от номинала внешнего подстроечного резистора,

- зависимость времени отпускания и времени установления от номинала внешней подстроечной емкости,

- амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя с отключенной системой АРУ и максимальным коэффициентом усиления,

- среднеквадратичное значение тока потребления

Представлены результаты испытаний образцов ИС

формирователя импульсов у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведена разработка и исследование БРЮЕ-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения при проектировании конденсаторных микро- электромеханических систем и схем приема и обработки сигнала Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем

1 Проведен анализ существующих методов совместного моделирования МЭМС и электрических схем обработки сигналов Из рассмотренных средств проектирования МЭМС и интегральных схем определены программы, обладающие максимальной точностью и достоверностью результатов,

2 Разработан комплекс математических и компьютерных операций, обеспечивающий создание БРЮЕ-моделей емкостных преобразователей физических величин,

3. Показана возможность совместного моделирования дифференциальной емкостной микромеханической системы с электрической схемой, поддерживающей резонансные колебания. По результатам моделирования проведена оптимизация конструкции преобразователя и электрической схемы

4 Разработана БРЮЕ-модель электростатического конденсаторного микрофона Показана практическая возможность моделирования перемещения металлизированной мембраны, звукового давления и электрической схемы усиления сигнала

5 Проведено моделирование конденсаторного микрофона в программе Р8Р1СЕ совместно со схемой усиления По результатам моделирования определена их совместная частотная характеристика чувствительности

6 Предложено моделирование входной физической величины в программе РБРТСЕ с помощью аналитического

оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим значениям

7 На основе результатов диссертационной работы в НПК "Технологический центр" МИЭТ были разработаны микросхемы микрофонного усилителя и формирователя импульсов Определены основные характеристики микросхем Представлены результаты испытаний микросхемы формирователя импульсов, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы разработаны ЗРГСЕ-модели конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения их при проектировании конденсаторных микроэлектромеханических систем и схем приема и обработки сигнала Показано, что с помощью разработанных моделей возможно достижения высоких технических характеристик ИС приема и обработки сигналов с конденсаторных преобразователей физических величин

В целом диссертационная работа представляет собой комплекс научно-технических решений, реализация которых имеет существенное значение для обеспечения возможности проектирования специализированных микросхем приема, обработки сигналов с ПВФ и управления элементами микроэлектромеханических систем

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Федоров Р А Шелепин Н А БРЮЕ-модель электретного преобразователя физических величин / Известия ВУЗов ЭЛЕКТРОНИКА, №4, 2006г, стр 59-64

2 Федоров Р А Шелепин Н А БРЮЕ-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин / Оборонный комплекс - научно техническому прогрессу России, №3, 2006г, стр 61-66

3 Федоров Р А Шелепин Н А Разработка схемы поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента микромеханической системы / Нано- и микросистемная техника, №2, 2006г, стр 29-35

4 Амеличев В В Шелепин Н А Гаврилов Р О Федоров Р А Погалов А И Применение смешанного моделирования в процессе разработки интегрального тензопреобразователя ускорения /Оборонный комплекс - научно техническому прогрессу России, №3, 2007г, в печати

5. Федоров Р А Виброрезонансная схема на основе БРЮЕ-модели интегральной емкостной микромеханической системы / XII Всероссийская Межвузовская Научно-Техническая Конференция "Микроэлектроника и информатика-2005", 19-21 апр 2005, Москва, с 133

6 Федоров Р А Устройство калибровки емкостных МЭМС-преобразователей на основе преобразователя «емкость-напряжение» ХЕ2004, V Международная Научно-Техническая Конференция "Электроника и информатика-2005", 23-25 ноября 2005, Москва, с 208

Формат 60 84 1/16 Уч -изд л Тираж 75 экз Заказ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Актуальность совместного моделирования преобразователей физических величин и электрических схем приема и обработки сигналов.

1.1 Возможности систем схемотехнического моделирования.

1.2 Возможности систем моделирования МЭМС.

1.2.1 CoventorWare - проектирование МЭМС устройств на системном уровне

1.2.2 Nodal Design of Actuators and Sensors - библиотека для узлового метода моделирования МЭМС.

1.2.3 SUGAR - инструмент моделирования МЭМС устройств.

1.3 Примеры совместного моделирования электрических схем и МЭМС.

1.3.1 Моделирование беспроводного МЭМС микрофона.

1.3.2 Моделирование микромеханического конденсатора.

1.3.3 Моделирование микромеханического конденсаторного микрофона.

1.3.4 Моделирование системы на основе акселерометра с обратной связью.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. Разработка и моделирование SPICE-модели дифференциальной ЕМС.

2.1 Определение основных математических уравнений, описывающих поведение узлов дифференциальной ЕМС.

2.2 Определение схемы замещения дифференциальной ЕМС.

2.3 Расчет параметров резонансной ЕМС.

2.4 Моделирование резонансной ЕМС в составе электрической схемы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. Разработка и моделирование SPICE-модели электростатического конденсаторного микрофона.

3.1 Определение основных математических уравнений, описывающих поведение узлов электростатического конденсаторного микрофона.

3.2 Моделирование SPICE-модели конденсаторного микрофона в составе электрической схемы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. Применение SPICE-модели для практического проектирования специализированных ИС.

4.1 Классификация СФ блоков.

4.2 Практическое применение SPICE-модели ЕМС при разработке ИС.

4.3 Моделирование входной физической величины.

4.4 Характеристики, полученные в результате моделирования SPICE-модели электретного микрофона в составе ИСМУ.

Исходные установочные параметры, используемые при испытании ИСФИ:.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

При разработке интегральных схем (ИС) приема и обработки сигналов с преобразователей физических величин (ПФВ) большое значение имеет возможность высококачественного совместного их моделирования. Зачастую, проведение подобного моделирования обуславливает принципиальную возможность создания проекта, его качество, сроки и стоимость.

Большое количество ПФВ, в настоящее время, выполняется в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС). Наиболее известными программами предназначенными для проектирования МЭМС являются: Matlab, SUGAR, EM3DS, IntelliSuite, NODAS, ANSYS. Существуют программы способные проводить моделирование МЭМС с последующим определением электрических характеристик преобразователей. Наиболее широкими возможностями обладает программа CoventorWare, которая позволяет комплексно исследовать вопросы управления, механики и электроники МЭМС. Однако, в CoventorWare расчет модели устройства, составленной из электромеханических элементов, происходит по неизвестным разработчику соотношениям и зависимостям. Это осложняет анализ результатов моделирования и поиск правильного решения при разработке устройств.

Следует отметить, что указанная программа имеет достаточно высокую стоимость. Это делает её недоступной для большинства отечественных разработчиков ПФВ и МЭМС на их основе.

Для проектирования систем на основе ПФВ конденсаторного типа возможен более простой и дешевый подход, основанный на построении SPICE-модели ПФВ, учитывающий влияние электрической схемы и физической величины. Метод построения моделей основан на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение ПФВ в программе схемотехнического моделирования.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - исследование и создание SPICE-моделей преобразователей физических величин конденсаторного типа для практического проектирования емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов.

Основные ЗАДАЧИ, которые нужно решить для достижения цели:

1) Провести анализ существующих методов совместного моделирования ПФВ и электрических схем;

2) Определить математические уравнения, описывающие поведение ПФВ конденсаторного типа;

3) Разработать метод построения SPICE-моделей конденсаторных ПФВ на основе системы математических уравнений, описывающих поведение чувствительного элемента;

4) Разработать SPICE-модели ПФВ конденсаторного типа;

5) Провести анализ достоверности разработанных SPICE-моделей;

6) Разработать и исследовать характеристики сложных функциональных блоков ИС путем совместного моделирования электрической схемы и электростатического микрофона.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

1. Разработан комплекс математических и компьютерных операций, обеспечивающих создание SPICE-моделей емкостных преобразователей физических величин, который заключается в следующем:

1) создается система уравнений, описывающая движение чувствительного элемента и влияние электростатических сил;

2) задаются начальные и граничные условия для системы уравнений;

3) заданная система уравнений представляется в графическом редакторе программы PSPICE в виде схемы, состоящей из математических выражений, переменных и управляемых источников;

4) полученная схема преобразуется в текстовый вид с описанием внутренних элементов и внешних выводов;

5) для дальнейшего использования в качестве библиотечного элемента создается условное графическое обозначение преобразователя с привязкой на текстовый вид схемы;

6) полученная система уравнений решается численным методом при помощи математического аппарата программы PSPICE;

7) выполняется определение параметров SPICE-модели конкретного ПФВ и проверка её достоверности;

2. Разработана SPICE-модель конденсаторного микрофона, позволяющая определять собственную частотную характеристику чувствительности в зависимости от конструктивных параметров преобразователя и параметров электрической схемы усиления сигнала;

3. Показана принципиальная возможность совместного моделирования дифференциальной емкостной микромеханической системы (ЕМС), электрической схемы управления и внешней физической величины.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:

1. Разработанный комплекс математических и компьютерных операций позволяет создавать SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин, проводить оптимизацию конструкции преобразователя, электрической схемы управления, приема и обработки сигнала с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ

1. Комплекс математических и компьютерных операций построения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин.

2. SPICE - модель конденсаторного микрофона, позволяющая моделировать перемещение металлизированной мембраны микрофона, звуковое давление и электрическую схему усиления сигнала.

3. Результаты исследования схемы, поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента PSICE-модели дифференциальной ЕМС: а) показана зависимость амплитуды и частоты резонансных колебаний подвижного элемента, добротности колебательной системы от постоянной составляющей напряжения раскачки подвижного элемента ЕМС; б) показана возможность применения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для проведения оптимизации конструкции преобразователей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока.

Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

Разработана структурная схема совместного моделирования SPICE-модели электретного микрофона и интегральных схем микрофонного усилителя и формирователя импульсов в программе PSPICE. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК "Технологический центр" МИЭТ были разработаны ИСМУ и ИСФИ.

По результатам моделирования микросхемы микрофонного усилителя определены:

- зависимость коэффициента усиления от номинала внешнего подстроичного резистора;

- зависимость амплитуды выходного сигнала от номинала внешнего подстроичного резистора;

- зависимость времени отпускания и времени установления от номинала внешней подстроичной емкости;

- АЧХ и ФЧХ усилителя с отключенной системой АРУ и максимальным коэффициентом усиления, сопротивление нагрузки 20 кОм;

- СКЗ тока потребления.

Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведена разработка и исследование SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения при проектировании ИС специального назначения. Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ существующих методов совместного моделирования МЭМС и электрических схем. Из многообразия средств проектирования МЭМС и ИС определены программы, обладающие максимальной точностью и достоверностью результатов.

2. Показана возможность совместного моделирования в программе PSPICE SPICE-модели дифференциальной ЕМС совместно с электрической схемой, поддерживающей резонансные колебания. По результатам моделирования проведена оптимизация конструкции преобразователя и электрической схемы управления с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

3. Разработана новая SPICE-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин. Показана практическая возможность моделирования перемещения металлизированной мембраны конденсаторного микрофона, звукового давления и электрической схемы усиления сигнала.

4. Проведено моделирование SPICE-модели конденсаторного микрофона в программе PSPICE совместно с распространенной схемой усиления. По результатам моделирования определена их совместная частотная характеристика чувствительности.

5. Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока. Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

6. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК "Технологический центр" МИЭТ были разработаны микросхемы микрофонного усилителя и формирователя импульсов. По результатам их моделирования совместно с SPICE-моделью электретного микрофона определены основные параметры микросхемы. Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов, проведенных у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в Государственном Учреждении Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ для выполнения работ: «Разработка SPICE-моделей, библиотеки элементов и правил проектирования микроэлектромеханических систем и интегрированных систем типа «МЭМС+ИС» (Шифр: Микромодель, № ГР У85739), ОКР «Разработка и изготовление БИС формирователя импульсов» (Шифр: Корпус, ГК № 05-22н), ОКР «Разработка библиотеки стандартных ячеек для проектирования микропотребляющих цифро-аналоговых микросхем», (Шифр: Лимит, ГК № 2006/251/06-06н/1), НИР «Исследование возможности создания СБИС речевого кодека», (Шифр: Юность-СБИС, ГК № 2005/418/ 05-23н).

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы созданы новые SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения их при проектировании емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

1. Шелепин Н.А. Основные принципы создания SPICE-моделей микроэлектро-механических систем. / Микросистемная техника. 2004. №9. С. 3035.

2. Cadence Analog, RF and Mixed Signal Design, Design Technologies, Cadence / Cadence Design Systems, Inc. 2002. www.cadence.com.

3. В.А. Денисенко Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС / Компоненты и технологии. № 3. 2002. С. 74-78.

4. Gil Bassak Focus Report: Analog and Mixed-Signal Simulators / Integrated System Design The Journal of the Design Process, San Mateo, CA, Jan., 1999. www.eedesign.com.

5. A1 Cordesch, 1999 Modeling survey / FSA Fabless Forum magazine, FSA, CA, USA,Dec. 1999,-P. 11-33.

6. Korvink J.G., Emmenegger M., Tashini S., Baltes H. CMOS MEMS and their simulation / International conference on Modeling and Simulatioin of Microsystem, Semiconductors / Sensors and Actuators. MSM'98 - 1998. Santa Clara., CA. April 68. 1998. - P.5-11.

7. О. Миллер, Ю. Потапов, Универсальная среда проектирования коммерческих MEMS устройств / Электронные компоненты №2,2002, - С. 1-3.

8. Д.М. Климов, А.А. Васильев, В.В. Лучинин, П.П. Мальцев. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА, №1,1999, с. 3-6.

9. NEXUS Market analysis for microsystems, 1996-2002 // MST News, 1998, № 3. p. 38-41.

10. Royer M., Holmen J.O., Wurm M. A., Adaland O.S. and Glenn M. ZnO on Si Integrated Acoustic Sensor / Sensors Actuators. 1983. A 4. 357-62.

11. Вахитов Ш. Современные микрофоны и их применение. / Радио. 1998. №11.-С. 16.

12. Scheeper P. R., Van der Donk A. G. Н., Olthuis W. and Bergveld P. A Review of Silicon Microphones / Sensors Actuators. 1994. A4. 1-11.

13. L. Rafkin, The Funder / Forbes Magazine. April 2. 2001.

14. J.J. Neumann Jr. and K.J. Gabriel CMOS-MEMS Membrane for Audiofrequency Acoustic Actuation / Sensors and Actuators. A 95. (2000) 175-182.

15. Brett M. Diamond, John J. Neumann, Kaigham J. Gabriel, Digital Sound Reconstruction Using Arrays of CMOS-MEMS Microspeakers / presented at The 12th International Conference on Solid State Sensors / Actuators and Microsystems. Boston. June 8-12.2003.

16. G.K. Fedder, S. Santhanam, Laminated High-Aspect-Ratio Microstructures in a Conventional CMOS Process / Sensors and Actuators. A 57. (1996). 103-110.

17. H. Xie and G. K. Fedder, A CMOS Z-Axis Capacitive Accelerometer With Comb-Finger Sensing / Proceedings of the 13 th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '00), pp. 496-501. January 23-27. 2000. Miyazaki. Japan.

18. M. Manteghi, F. Yang, A Novel MEMS Wireless Microphone / Electrical Engineering Dept., F. Chamaran and J. P. Fu, Mechanical Engineering Dept., University of California, Los Angeles, Los Angeles, С A 90095.

19. Y. Zhang et. al., An Ultra-sensitive, High-vacuum Absolute Capacitive Pressure Sensor / IEEE J. MEMS, 2001,- P. 166-169.

20. Ю.Б.Колесов, Ю.Б. Сениченков Имитационное моделирование сложных динамических систем / http://www.exponenta.ru/soft/others/mvs/dssim.asp.

21. J. J. Neumann, Jr., and К. J. Gabriel A Fully-Integrated CMOS-MEMS Audio Microphone / MEMS Laboratory, ECE Dept., 1209 Hamerschlag Hall, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Ave., Pittsburgh, PA15213-3890, USA.

22. H.T. Souther, B.B. Bauer Audio Engineering Society, Microphones, An Adventure in Microphone Design, Equivalent Circuit Analysis of Mechano-Acoustic Structures/Anthology, 1979,

23. JI. Ю. Бочаров, П. П. Мальцев. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА, №1, 1999, с. 41-44.

24. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Электронная версия руководства к ANSYS ANSYS - Core, 001252, Fifth Edition, ANSYS Release 5.6, Published November 1999, ANSYS, Inc., ANSYS, Inc. is a UL registered ISO 9001: 1994 Company. Казань 2001.

25. Senol Mutlu, Surface Micromachined Capacitive Accelerometer With Closed-Loop Feedback Electrical / Engineering and Computer Science Department, University of Michigan Ann Arbor, Michigan 48109-2122, e-mail: smutlu@umich.edu

26. Александр Волович, Георгий Волович, Интегральные акселерометры / http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/0201/stat66.htm

27. А.В. Завьялов, Н.Г. Коломенская, Е.Д. Молчанова, Сверхбольшие интегральные семы типа "система на кристалле" и сложные функциональные блоки: основные нюансы при разработке нормативных документов / Микросистемная техника. №10. 2005. С. 19-22.

28. В. Т. Рене, Электрические конденсаторы / 3 изд., JL, 1969.

29. Электреты / Пер. с англ. под ред. Г. Сесслера. М: Мир, 1983.487 с.

30. Вахитов Ш. Современные микрофоны и их применение. // Радио, 1998, №11. -С. 16.

31. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. PSPICE-модель электретного преобразователя физических величин / Известия ВУЗов. Электроника, №4, 2006г, стр. 59-64.

32. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0/ М. Солон-Р, 2000, 698с.

33. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. Разработка схемы поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента микромеханической системы / Нано- и микросистемная техника, №2, 2006г, стр. 29-35.

34. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. SPICE-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин / Оборонный комплекс -научно техническому прогрессу России, №3, 2006г, стр. 61-66.