CAD工具提供MEMS专用设计功能介绍

CAD工具提供MEMS专用设计功能介绍

    在过去几年，MEMS和微机械化设计与生产更多地是发生在大学实验室里的研究活动，而不是具有制造可行性的商业行为。当时，MEMS和微机械设计所使用的设计与制造工具非常专业。开发制造技术成为设计过程的一部分，如果不这么做，工程师就不知道如何实现微设计。许多工作是使用二维版图完成的，以描述各个硅层的构造。这些层顺序沉积就创造了传统的MEMS元件。现在，在主流CAD工具中引入MEMS专用设计功能推动了MEMS的低成本开发，并促进了商用产品朝小型化的机械器件发展。

 在主流设计工具中引入MEMS专用功能将有助于设计师更好地利用微技术。这些工具将帮助面临小型化挑战的公司革新产品、器件和微制造技术，并拓展微机电系统在不同领域的应用。
在这个新兴领域，很多基础工作都源自半导体产业。为了驱动硅集成电路的发展，业界不断开发创造新的制造工艺，以生产肉眼几乎无法看到的特征和元件。虽然IC是微设计方法学最初关注的唯一对象，但制造商们正利用这些技术来开发和生产MEMS及小型化机械器件，以满足市场对小型化的要求。

    MEMS的潜在应用范围很广。任何需要机械器件的小型化电子系统都可能使用MEMS，包括惯性传感器、开关和继电器、谐振器和机械滤波器、微型电容、电感和探头以及倾斜计、电子管、DNA序列分析仪、化学和生物药剂传感器。

    无论何种应用，推动微机械系统发展的动力都是尺寸和重量。与集成电路不同，所有MEMS器件都含有一些机械元素，而且大多数器件至少包含一个可移动部件。通过沉积几个硅薄层及蚀刻部分材料来创建层构造的方法很适合于制造IC和一些MEMS器件，但新兴的制造工艺正在出现，并为设计者优化MEMS的机械性能提供了更多选择。

    多年以来，MEMS设计师可用的材料主要是硅，而且唯一可用的制造工艺也源自半导体工业。这些工艺通常需要非常专业的工具，从而限制设计只能有4或5层指定厚度的硅。因此，使用这些工艺创建MEMS元件既费时又费钱。但随着越来越多的制造商开始转向MEMS和微设计，他们开发了专注于MEMS设计中机械部分的新型自动化工艺。

    一家名为MEMGen的公司已经利用三维CAD数据开发出一种称为EFAB的专有微制造工艺。EFAB技术类似硅沉积技术，但更具鲁棒性、自动化和灵活性。EFAB允许工程师用镍、银、铜、金和铂等电镀材料取代硅，设计任意的复杂三维几何图形，并可以创建厚度从2微米到10微米、数量从几十到几百的构造层。

    创建任意几何图形，而不是利用半导体工业使用的图形，这一能力为MEMS设计者打开了一个全新的世界。以机械螺旋弹簧为例，它是迄今为止业界为控制力量和位移而开发的最有效、最实用的器件之一。但是基于4或5层硅来生产有效的螺旋弹簧是非常困难的。其结果是，采用基于硅的传统微制造工艺，你将无法在微观领域利用这一最成熟的机械设计。而MEMGen公司一直致力于为从事微设计的机械工程师消除这些类型的限制。

    一种有助于推动MEMS广泛应用的方法是在主流三维CAD工具中包含MEMS专用功能。使用熟悉的工具和设计环境来设计MEMS、微器件或更大的组件和器件有助于节省用户学习专用工具所需的大量时间、精力和成本。

    设计MEMS器件的典型顺序从一个由多个半导体层导出的元件模型开始，随后，设计者生成每个层的光掩膜和二维版图，用于制造过程。

    MEMS设计的关键挑战出现在为一个器件的固态模型中处于微米和亚微米级的几个横截面做光掩模。如果没有专门的MEMS CAD功能，设计师就必须在CAD系统中不同的尺寸刻度之间来回切换，从微米到毫米再到米。他们无法真实呈现完整组件，并且不能充分利用基础固态模型特征，如参数联合设计等。

    幸运的是，具有操作刻度变换能力的三维固态建模系统可以提供专门满足MEMS设计的功能，从而简化工艺的复杂性。例如，一些主流的三维CAD软件包具有宽泛的几何尺寸范围，允许设计师在从微米直到米的范围内操作同一个组件。倘若MEMS元件及其封装都有完整的三维可视图，工程师就可以通过简单的缩放查看MEMS细节或更大的组件。软件还能自动给MEMS元件做截面图，并为每层创建完全结合的光掩膜，从而节省人工创建各个二维版图所需的时间和精力。

    随着设计的不断修改和完善，相应变化会体现在所有相关设计文档中，包括元件、组件、细节和光掩膜图。亚微米特征定义、元件的冲突/干扰检测以及特征模式的创建等功能对MEMS设计而言都是极为有用的。