System-level simulation of microsystems using analogue simulators

Abstract

Since the product development cycle in the microsystem technology rarely takes less than 5 years, emphasis should be set on further development of simulator technology and optimization of the design process. A slow development of CAD for microsystems is therefore a limiting factor for even stronger dissemination and expansion of potential applications. Broader exploitation of miniature devices is possible only with shorter (and cheaper) product development cycles. CAD for microsystems consists of numerous software tools covering a physical modeling, device and process simulation, verification, layout design, behavioral simulators and, interfacing with other CAD tools. All of them together have particular significance in the automatization of microsystem design. System-level simulators provide the means of functional verification. This work proposes analogue simulators for the universal system-level simulation tools with special emphasis on easy development of complex subsystem models. A simulation approach is presented, which permits the simulation of spatially distributed fields with behavioral models of other physical effects and accompanying electronics within a single simulator environment. The final system-level model is a blend of finite-element, analytical, semi-analytical and parametric behavioral models with complex analogue and digital circuit networks. Previously evaluated calculations revealed successful simulation of finite element models with more than 25000 nodes by using analogue simulators with hardware description language. Results obtained in transient model verification proved the accuracy of the method. A simulation of a flow sensor system, whose functionality is governed by coupled fluidic-thermal-electric domains, is employed to show the feasibility of the method for complex microsystem modeling. Also shown in the simulation of an electrostatically driven microsystem consisting of a mechanical beam excited by electrostatic forces and damped by environmental atmosphere. Such an approach can be successfully employed in design and verification of mechatronic systems in general.

Die Produktentwicklungszeit in der Mikrosystemtechnologie ist selten kürzer als 5 Jahre. Deswegen ist einer weiteren Entwicklung der Simulatortechnologie und der Optimierung des Designprozesses größte Bedeutung beizumessen. Eine langsame Entwicklung von CAD für Microsystems behindert eine rasche Expansion der möglichen Anwendungen. Eine vielschichtige Einsatzmöglichkeit von Mikrosysteme ist nur mit einem kürzeren (und preiswerteren) Produktentwicklungszyklus möglich. Ein CAD Programm für die Mikrosystementwicklung besteht aus zahlreichen Software-Hilfsmitteln für physisches Modellieren, Devicesimulation, Prozesssimulation und Layout-Verifikation. Die Systemsimulatoren ermöglichen die Verifikation von kompletten Systemen. Diese Dissertation schlägt analoge Simulatoren für die universell einsetzbare 'system-level' Simulation vor. Besondere Betonung liegt dabei auf einer einfachen Entwicklung der komplizierten Subsystemmodelle. Es wird eine Modellierungsmethode dargestellt, die die Simulation der räumlich verteilten Felder mit diskreten Verhaltensmodellen anderer physikalischer Effekte und begleitender Elektronik innerhalb eines einzelnen Simulator ermöglicht. Das 'system-level'-Modell ist eine Mischung der Finiten Elementen, analytischen, halb-analytischen und parametrischen Verhaltensmodelle mit komplexen analogen und digitalen Schaltkreisen. Bisher ausgewertete Berechnungen deckten erfolgreiche Simulation der Finite-Element-Modellen mit mehr als 25000 Knoten auf, implementiert auf analogen Simulatoren mit Hardwarebeschreibungssprachen. Die Simulation des Flusssensors, dessen Funktionalität durch verbundene flüssige, thermische und elektrische Domänen geregelt wird, zeigt die Anwendbarkeit dieser Methode für die gekoppelten Mikrosysteme. Weiters wird anhand der Simulation eines elektrostatischen Mikrosystems (Biegebalken in elektrostatischem Feld) auch die Anwendung für gekoppelte elektromechanische Systeme gezeigt.