MEMS系统设计基本理论及设计关键技术

汽车传感器设计是汽车生产较为重要环节，对于汽车的整体性能的提高有着直接的影响。随着社会的快速发展，对汽车传感器的性价比也提出了更高的要求，从设计的理念、原则等角度出发，对设计技术进行更好的优化成为发展的关键。因此，加强对MEMS汽车传感器设计关键技术的研究具有很大的现实意义，发现当前技术中存在的不足，提出针对性的指导建议，在保证传感器性能满足要求的同时，降低生产陈本，取得更好的竞争优势。

1 MEMS系统设计基本理论

1.1 MEMS设计技术

MEMS设计技术的综合性是比较强，涵盖各个方面的内容，不仅需要有相应的概念设计作为指导，还需要相应的计算机提供服务，从而对数据进行更好的分析。MEMS产品设计的后续加工与测试工作的进行也在设计技术涵盖的范围之内，设计技术对整体的产品性能发挥着关键性的作用。相较于加工技术，MEMS设计技术有着更高的要求，其辅助机械与技术是非常重要的，尤其是计算机辅助设计的应用。MEMS设计技术在当前的发展中更为趋向于自动化、智能化，满足时代多元化发展的需求，提高产品设计的效率，更好的拓展市场，也实现产品设计的实用性。

1.2 MEMS设计方法

设计方法是设计工作的基础，其不仅是设计理念的充分体现，也是对设计行为的基本规范。MEMS设计技术的重点主要体现非电信号与电信号、电能与机械能等能量之间的转换，对MEMS系统设计有着较大的影响。MEMS设计方法主要有三种，一是有限元FEM，另一个是边界元BEM，有限差分也是数值分析方法之一。系统级设计、器件级设计、工艺级设计是不同的设计手段要求，其难度层次逐级递减。

首先，系统级设计的整体性是比较强的，需要综合各个方面的内容进行分析，数值分析法在其中的应用具有一定的局限性，其设计方法的优化更加趋向于简单动态模型的构建，减少了MEMS设计技术中多种能量之间的转换。器件级设计是较为单一的，有着针对性的研究对象，但是需要进行大量的数据分析。在实际的产品设计中，可以加强数值分析法在器件级设计中的应用，通过大量信息数据的收集提供更为扎实的理论依据。但是，需要重点注意数值分析法在具体应用中存在的局限性，所需时间较长，需要进行重点的优化。工艺级设计与硅机械加工技术有着紧密的联系，主要进行精密的加工，对尺寸进行精密的计算与优化。在当前的发展过程中，MEMS设计技术一般涉及毫米到微米加工环节，而且MEMS封装技术和集成版图设计也有着较大的优势，设计工艺比较成熟，可以大大提高版图设计的效率与封装的成本，给汽车传感器性能的提高也带来更大的优势。

2 MEMS汽车传感器设计关键技术

2.1 MEMS汽车传感器的智能集成设计

在技术发展的推动下，汽车传感器的广泛应用给汽车带来了很大的提升空间，也使得汽车各方面的性能得到了很大的提高。MEMS汽车传感器的智能集成设计，主要是从传感器的各项指标出发的，对传感器的使用性能进行优化，提高其稳定性、安全性。MEMS汽车传感器的智能集成设计是综合MEMS技术、集成化和智能化为一体的。

首先，MEMS技术是从传感器基本框架模型出发的，对系统进行整体性的开发，通过对系统内部结构的优化，提高系统的可用性。在实际的操作过程中，MEMS技术对系统的优化采取自上而下的方法。第一步，对汽车传感器的系统需求、特性、加工性能进行分析与了解，从而得出系统设计的基本方向。第二步，系统设计需要将传感单元设计与信号评测电路设计相结合，进行机械布局与电子布局，这是系统设计的基本框架。第三步，对机械布局与电子布局进行整合，形成整体性布局，完成系统开发的基本流程。在系统设计的过程中，需要注意每个步骤之间都有一定的联系，自上而下进行，同时也自下而上的进行信息的反馈，发现在设计环节存在的缺陷，进行及时的调整。其次，是传感器智能化模型的构建，对系统的功能进行相应的调配，实现各个功能具体的分工。智能汽车传感器系统软硬件实现的完成，可以充分体现性能的整体优势。最后，汽车传感器系统的具体应用，采用多传感器信息融合算法，并且结合人工智能，实现汽车传感器的自动化与智能化处理。

2.2 MEMS多域耦合和仿真分析

微器件包含多种类型，是微机电系统的重要组成部分。MEMS技术设计的范围是比较广泛的，其能量之间的转换，对于光学、物理学、化学等领域都有一定的深入研究。结构动力学、热传输学、流动动力学和电磁学是MEMS系统学科交叉，不同的组合方式形成了不同的应用原理，如热激励响应热致动器、微致冷器流量和热传感器等。MEMS多域耦合是一个较为复杂的系统，对系统设计的科学性、合理性有着较高的要求，保证物理域综合可以正常运行。电域、结构力学域、热域、流体域是常见的多域耦合效应，电域与热域、结构力学域之间有一定的关系，而结构力学域、热域与流体域之间也有一定的关系，通过关系交合实现能量转换。在MEMS多域耦合中，需要重点关注各个领域的特性，进行针对性的分析优化，通过调整达到平衡状态。能量场分为保守能量场、非保守能量场两种，保守能量场能量是守恒的，非保守能量场会存在能量的损耗，需要用解析法进行单独的运算求解。MEMS多域耦合在多物理域的条件下，运算具有一定的难度，此时可以利用降价法进行处理，综合多方面的情况进行求解，从而实现高效精确的求解，取得更好的效果。耦合MEMS器件的动态仿真也是存在的问题之一，采用降价法进行处理有利于模型的构建，也可以形成更为整体性的系统。微机电系统设计的模拟主要分为系统级模拟、基于能量的宏模型和器件级模拟，有着具体的层次划分，相应的也有不同的要求。

2.3 面向MEMS的多学科优化设计和算法

MEMS设计的关键在于多学科之间的交叉，通过不同的材料加工与方法进行综合，实现多物理域的协调，从而使得MEMS多域耦合更好的配合运行。MEMS系统设计的复杂性较高，对于各方面工作的进行有一定的难度，在实际的操作中可以通过层级系统、非层级系统和混合层级系统等进行具体的划分，从而可以进行细化研究。层级系统以分级的方式进行划分，其形成一种树状结构，其系统构造较为简单。非层级系统是网状结构，多物理域相互之间的联系紧密，形成不同的交互关系。混合层级系统是树状与网状的混合，对于系统的划分有着更大的优势，在MEMS优化设计中的应用是比较广泛的。MEMS系统的优化主要分为四个框架，分别是系统结构、封装子系统、非MEMS子系统详细设计、器件结构。对于非MEMS子系统详细设计和封装子系统需要进行重点的详细设计，器件结构也需要关注生产成本和驱动方式，从加工工艺的提高等方面入手，提高系统的性能与安全。MEMS多学科优化设计是根据其系统的复杂性进行的，多个领域的交叉配合，对方案设计也提出了更高的要求，通过对子系统的优化，并且以其为基础进行系统的整合，充分体现子系统的优势。在系统的优化设计中，子系统既可以独立运行，也可以结合进行，实现信息更好的交流，为数据的分析提供更多的理论依据。

2.4 MEMS加速度计设计与优化

加速度计主要用于测量惯性的大小，进而分析传感器加速度的大小与运行的安全性。惯性大小与物体的质量、加速度有着直接的联系，成正比关系，质量相等时，加速度越大，物体的惯性也就越大。因此，对于MEMS加速度计设计与优化可以从质量方面进行控制，进而改变物体所受到的力的大小。在MEMS加速度计设计中，可以采取梳齿式MEMS加速度计，可以有效的降低加速度计的有谐振频率存在的弊端，提高加速度计测量的精确度。通过梳齿式MEMS加速度计对系统进行优化，在一定程度上提高了系统的稳定性。在实际的操作中，对于MEMS加速度计整体性能的提高，可以从结构、阻尼、驱动与检测电路、加工工艺等方面出发，进而详细的分析，改善存在的实际缺陷。在加速度计设计与优化的过程中，也需要重点注意整体性的优化效果，选择合理的算法，实现多领域的交叉配合。

3 结语

MEMS技术在汽车传感器设计中的应用取得了很大的成效，改善了传统传感器中存在的不足，从不同的角度进行深入的分析，结合各个领域的特点，实现多领域更好的结合。MEMS汽车传感器设计技术的优化，还需要考虑材料、结构、制作工艺等方面的提高，从系统内部结构出发，对系统的性能进行整体性的提高，也使得系统的运行稳定性更高，满足实用化发展的要求，取得更好的效果。