MEMS设计方法学是指导设计的基本思想,在整个MEMS系统设计和优化中具有重要作用。由于MEMS系统通常涉及多个耦合能量域,并且设计者十分关注系统的整体性能,因此复杂的系统级模拟显得尤为重要。目前系统级模拟基本上都是先建立器件宏模型,然后调用该模型,利用成熟的电路分析软件如Spice、Simulink等进行模拟。因而,系统级模拟的难点便在于建立快速、高效、能精确反映器件行为特性的宏模型。现阶段,建立宏模型的主要方法有等效电路法和硬件描述语言法。 本文采用的等效电路宏模型建立方法从器件的受力分析着手,根据牛顿第二定律和能量原理求出受力的解析表达式,再利用受控源的反馈作用实现机电耦合关系,根据表达式和反馈关系建立起表征器件动态特性的等效电路宏模型。重点研究了四边固定方形薄膜和变截面梁基于受力分析的等效电路宏模型建立过程。考虑到它们都是二维器件,因此建立的等效电路模型考虑了二维效应对器件性能产生的影响。对于方形薄膜,选取二维挠度形函数解决问题；对于变截面梁,通过引入修正系数将该二维器件近似为一维情形来处理,修正系数通过研究变截面梁的尺寸与结构形变程度的关系获得。基于上述方法,本文建立了四边固定方形薄膜的等效电路宏模型,利用Spice对此宏模型进行准静态、频率和瞬态分析,并与CoventorWare中相应的模拟结果比较,首次实现了薄膜大信号等效电路宏模型建立；以变截面梁为研究对象建立等效电路宏模型,并分析了该模型的误差；采用CoventorWare分析变截面梁的形变情况,推导出变截面梁尺寸对梁弯曲程度的影响规律,给出一些关于器件设计和建立器件宏模型的建议；通过引入修正系数,将变截面梁的二维问题近似为一维来处理,建立起包含二维效应的等效电路宏模型,然后用Spice对修正后的等效电路进行各种分析,并将模拟结果与CoventorWare以及修正前的结果相对比,模型精度有了较大的提高。利用基于受力分析法建立的等效电路物理意义十分明确,过程简单易懂,避免了繁琐的数学计算,效率和精度均很高,可用于大信号激励,并且能够有效地反映器件中的二维效应,因此对MEMS系统级模拟具有重要意义。