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与主要关注器件电学特性的IC(Integrated Circuit)设计不同,MEMS(Micro Electro Mechanical System)的设计具有多学科交叉、多能量域耦合的特点。因此,MEMS器件与其接口电路的协同设计在流程、效率等方面一直面对着巨大的挑战。如何通过系统级方法实现MEMS的高效快速仿真成为MEMS设计中的一个重要研究方向。MEMS器件与接口电路的协同设计在平台一致性、流程优化、参数迭代、高速仿真等方面具有非常高的要求。本文基于多端口组件网络(Multi Port Element Networks,MuPEN)系统级建摸与仿真方法,提出了一种MEMS器件与接口电路的系统级协同设计方法与流程。以经典的振动式MEMS为对象,深入研究了其关键技术和实现过程。论文主要工作和创新点如下:1.针对挠曲振动MEMS器件的主要功能结构等截面矩形梁,研究了梁形变的形函数,总结了梁类组件系统级行为模型建模理论。以非线性梁、侧向梁电极和磁致动梁为例,介绍了梁类组件的建模过程。推导了组件的系统级解析数学模型,利用MuPEN方法建立了对应的系统级多端口参数化组件,同时对新建组件进行了仿真验证。2.非线性梁是实现谐振式MEMS传感器功能的主要结构。为了拓展非线性梁组件的应用,研究了基于可重用参数化组件库的谐振式MEMS传感器的系统级建模与仿真方法,并对典型的谐振式加速度计和谐振式磁强计进行了系统级建模与仿真。仿真结果显示基于MuPEN方法可以高效、高精度地进行谐振式MEMS传感器的设计,同时新建立的梁类系统级参数化组件也得到进一步验证。3.针对提取MEMS谐振器刚度、质量等参数的解析计算、有限元、实验等方法的不足,提出采用可重用参数化组件库对MEMS谐振器进行建模与仿真提取谐振器参数的方法。在不降低提取精度的情况下,提高了参数提取效率。采用双端自由梁MEMS谐振器论述了系统级提取方法的流程。将系统级方法提取的刚度、质量参数同实验方法和有限元方法提取的数据进行对比,结果显示系统级参数提取方法具有很高的精确性。4.为实现振动式MEMS器件与接口电路的快速迭代设计,提出采用全参数化MEMS低阶集总单元模型与接口电路进行协同仿真的设计思路。以谐振式MEMS压力传感器为例,研究了构建全参数化MEMS低阶系统级模型的流程。通过全对称解耦轴微机械陀螺的系统级设计,对提出的振动式MEMS与接口电路的系统级协同设计方法进行了展示。器件仿真结果和设计过程表明:全参数化低阶系统级模型与接口电路的仿真效率比基于可重用参数化组件库的高阶模型与接口电路的仿真效率高约300倍,并且相对仿真精度在9%以内;同时验证了论文提出的系统级设计流程的可行性和高效性。综上所述,论文旨在提高MEMS+IC的协同设计效率,研究系统级仿真与设计的关z键技术,并对系统级设计流程进行优化。针对不同振动式MEMS的研究结果表明,论文提出的MEMS+IC的系统级协同设计方法保证了仿真的精度,同时可以极大地提高设计效率。这对于改进当前MEMS设计技术,缩短MEMS产品研发周期,降低研发成本具有重要意义。