SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Фёдоров, Роман Александрович

• Фёдоров, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фёдоров, Роман Александрович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Актуальность совместного моделирования преобразователей физических величин и электрических схем приема и обработки сигналов.

1.1 Возможности систем схемотехнического моделирования.

1.2 Возможности систем моделирования МЭМС.

1.2.1 CoventorWare - проектирование МЭМС устройств на системном уровне

1.2.2 Nodal Design of Actuators and Sensors - библиотека для узлового метода моделирования МЭМС.

1.2.3 SUGAR - инструмент моделирования МЭМС устройств.

1.3 Примеры совместного моделирования электрических схем и МЭМС.

1.3.1 Моделирование беспроводного МЭМС микрофона.

1.3.2 Моделирование микромеханического конденсатора.

1.3.3 Моделирование микромеханического конденсаторного микрофона.

1.3.4 Моделирование системы на основе акселерометра с обратной связью.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. Разработка и моделирование SPICE-модели дифференциальной ЕМС.

2.1 Определение основных математических уравнений, описывающих поведение узлов дифференциальной ЕМС.

2.2 Определение схемы замещения дифференциальной ЕМС.

2.3 Расчет параметров резонансной ЕМС.

2.4 Моделирование резонансной ЕМС в составе электрической схемы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. Разработка и моделирование SPICE-модели электростатического конденсаторного микрофона.

3.1 Определение основных математических уравнений, описывающих поведение узлов электростатического конденсаторного микрофона.

3.2 Моделирование SPICE-модели конденсаторного микрофона в составе электрической схемы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. Применение SPICE-модели для практического проектирования специализированных ИС.

4.1 Классификация СФ блоков.

4.2 Практическое применение SPICE-модели ЕМС при разработке ИС.

4.3 Моделирование входной физической величины.

4.4 Характеристики, полученные в результате моделирования SPICE-модели электретного микрофона в составе ИСМУ.

Исходные установочные параметры, используемые при испытании ИСФИ:.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин»

При разработке интегральных схем (ИС) приема и обработки сигналов с преобразователей физических величин (ПФВ) большое значение имеет возможность высококачественного совместного их моделирования. Зачастую, проведение подобного моделирования обуславливает принципиальную возможность создания проекта, его качество, сроки и стоимость.

Большое количество ПФВ, в настоящее время, выполняется в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС). Наиболее известными программами предназначенными для проектирования МЭМС являются: Matlab, SUGAR, EM3DS, IntelliSuite, NODAS, ANSYS. Существуют программы способные проводить моделирование МЭМС с последующим определением электрических характеристик преобразователей. Наиболее широкими возможностями обладает программа CoventorWare, которая позволяет комплексно исследовать вопросы управления, механики и электроники МЭМС. Однако, в CoventorWare расчет модели устройства, составленной из электромеханических элементов, происходит по неизвестным разработчику соотношениям и зависимостям. Это осложняет анализ результатов моделирования и поиск правильного решения при разработке устройств.

Следует отметить, что указанная программа имеет достаточно высокую стоимость. Это делает её недоступной для большинства отечественных разработчиков ПФВ и МЭМС на их основе.

Для проектирования систем на основе ПФВ конденсаторного типа возможен более простой и дешевый подход, основанный на построении SPICE-модели ПФВ, учитывающий влияние электрической схемы и физической величины. Метод построения моделей основан на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение ПФВ в программе схемотехнического моделирования.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - исследование и создание SPICE-моделей преобразователей физических величин конденсаторного типа для практического проектирования емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов.

Основные ЗАДАЧИ, которые нужно решить для достижения цели:

1) Провести анализ существующих методов совместного моделирования ПФВ и электрических схем;

2) Определить математические уравнения, описывающие поведение ПФВ конденсаторного типа;

3) Разработать метод построения SPICE-моделей конденсаторных ПФВ на основе системы математических уравнений, описывающих поведение чувствительного элемента;

4) Разработать SPICE-модели ПФВ конденсаторного типа;

5) Провести анализ достоверности разработанных SPICE-моделей;

6) Разработать и исследовать характеристики сложных функциональных блоков ИС путем совместного моделирования электрической схемы и электростатического микрофона.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

1. Разработан комплекс математических и компьютерных операций, обеспечивающих создание SPICE-моделей емкостных преобразователей физических величин, который заключается в следующем:

1) создается система уравнений, описывающая движение чувствительного элемента и влияние электростатических сил;

2) задаются начальные и граничные условия для системы уравнений;

3) заданная система уравнений представляется в графическом редакторе программы PSPICE в виде схемы, состоящей из математических выражений, переменных и управляемых источников;

4) полученная схема преобразуется в текстовый вид с описанием внутренних элементов и внешних выводов;

5) для дальнейшего использования в качестве библиотечного элемента создается условное графическое обозначение преобразователя с привязкой на текстовый вид схемы;

6) полученная система уравнений решается численным методом при помощи математического аппарата программы PSPICE;

7) выполняется определение параметров SPICE-модели конкретного ПФВ и проверка её достоверности;

2. Разработана SPICE-модель конденсаторного микрофона, позволяющая определять собственную частотную характеристику чувствительности в зависимости от конструктивных параметров преобразователя и параметров электрической схемы усиления сигнала;

3. Показана принципиальная возможность совместного моделирования дифференциальной емкостной микромеханической системы (ЕМС), электрической схемы управления и внешней физической величины.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:

1. Разработанный комплекс математических и компьютерных операций позволяет создавать SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин, проводить оптимизацию конструкции преобразователя, электрической схемы управления, приема и обработки сигнала с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ

1. Комплекс математических и компьютерных операций построения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин.

2. SPICE - модель конденсаторного микрофона, позволяющая моделировать перемещение металлизированной мембраны микрофона, звуковое давление и электрическую схему усиления сигнала.

3. Результаты исследования схемы, поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента PSICE-модели дифференциальной ЕМС: а) показана зависимость амплитуды и частоты резонансных колебаний подвижного элемента, добротности колебательной системы от постоянной составляющей напряжения раскачки подвижного элемента ЕМС; б) показана возможность применения SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для проведения оптимизации конструкции преобразователей.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Фёдоров, Роман Александрович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока.

Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

Разработана структурная схема совместного моделирования SPICE-модели электретного микрофона и интегральных схем микрофонного усилителя и формирователя импульсов в программе PSPICE. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК "Технологический центр" МИЭТ были разработаны ИСМУ и ИСФИ.

По результатам моделирования микросхемы микрофонного усилителя определены:

- зависимость коэффициента усиления от номинала внешнего подстроичного резистора;

- зависимость амплитуды выходного сигнала от номинала внешнего подстроичного резистора;

- зависимость времени отпускания и времени установления от номинала внешней подстроичной емкости;

- АЧХ и ФЧХ усилителя с отключенной системой АРУ и максимальным коэффициентом усиления, сопротивление нагрузки 20 кОм;

- СКЗ тока потребления.

Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведена разработка и исследование SPICE-моделей конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения при проектировании ИС специального назначения. Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ существующих методов совместного моделирования МЭМС и электрических схем. Из многообразия средств проектирования МЭМС и ИС определены программы, обладающие максимальной точностью и достоверностью результатов.

2. Показана возможность совместного моделирования в программе PSPICE SPICE-модели дифференциальной ЕМС совместно с электрической схемой, поддерживающей резонансные колебания. По результатам моделирования проведена оптимизация конструкции преобразователя и электрической схемы управления с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

3. Разработана новая SPICE-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин. Показана практическая возможность моделирования перемещения металлизированной мембраны конденсаторного микрофона, звукового давления и электрической схемы усиления сигнала.

4. Проведено моделирование SPICE-модели конденсаторного микрофона в программе PSPICE совместно с распространенной схемой усиления. По результатам моделирования определена их совместная частотная характеристика чувствительности.

5. Проведена классификация SPICE-моделей дифференциальной ЕМС и электростатического микрофона как СФ блока. Предложен способ формирования входной физической величины в программе PSPICE с помощью аналитического оборудования, для приближения результатов моделирования электрической схемы и преобразователя физической величины к реально существующим результатам.

6. При использовании SPICE-модели конденсаторного микрофона в НПК "Технологический центр" МИЭТ были разработаны микросхемы микрофонного усилителя и формирователя импульсов. По результатам их моделирования совместно с SPICE-моделью электретного микрофона определены основные параметры микросхемы. Представлены результаты испытаний образцов интегральной схемы формирователя импульсов, проведенных у заказчика, которые показали соответствие полученных характеристик требованиям ТЗ.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в Государственном Учреждении Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ для выполнения работ: «Разработка SPICE-моделей, библиотеки элементов и правил проектирования микроэлектромеханических систем и интегрированных систем типа «МЭМС+ИС» (Шифр: Микромодель, № ГР У85739), ОКР «Разработка и изготовление БИС формирователя импульсов» (Шифр: Корпус, ГК № 05-22н), ОКР «Разработка библиотеки стандартных ячеек для проектирования микропотребляющих цифро-аналоговых микросхем», (Шифр: Лимит, ГК № 2006/251/06-06н/1), НИР «Исследование возможности создания СБИС речевого кодека», (Шифр: Юность-СБИС, ГК № 2005/418/ 05-23н).

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы созданы новые SPICE-модели конденсаторных преобразователей физических величин для практического применения их при проектировании емкостных МЭМС и ИС приема и обработки сигналов с целью достижения высоких технических характеристик всей системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фёдоров, Роман Александрович, 2007 год

1. Шелепин Н.А. Основные принципы создания SPICE-моделей микроэлектро-механических систем. / Микросистемная техника. 2004. №9. С. 3035.

2. Cadence Analog, RF and Mixed Signal Design, Design Technologies, Cadence / Cadence Design Systems, Inc. 2002. www.cadence.com.

3. В.А. Денисенко Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС / Компоненты и технологии. № 3. 2002. С. 74-78.

4. Gil Bassak Focus Report: Analog and Mixed-Signal Simulators / Integrated System Design The Journal of the Design Process, San Mateo, CA, Jan., 1999. www.eedesign.com.

5. A1 Cordesch, 1999 Modeling survey / FSA Fabless Forum magazine, FSA, CA, USA,Dec. 1999,-P. 11-33.

6. Korvink J.G., Emmenegger M., Tashini S., Baltes H. CMOS MEMS and their simulation / International conference on Modeling and Simulatioin of Microsystem, Semiconductors / Sensors and Actuators. MSM'98 - 1998. Santa Clara., CA. April 68. 1998. - P.5-11.

7. О. Миллер, Ю. Потапов, Универсальная среда проектирования коммерческих MEMS устройств / Электронные компоненты №2,2002, - С. 1-3.

8. Д.М. Климов, А.А. Васильев, В.В. Лучинин, П.П. Мальцев. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА, №1,1999, с. 3-6.

9. NEXUS Market analysis for microsystems, 1996-2002 // MST News, 1998, № 3. p. 38-41.

10. Royer M., Holmen J.O., Wurm M. A., Adaland O.S. and Glenn M. ZnO on Si Integrated Acoustic Sensor / Sensors Actuators. 1983. A 4. 357-62.

11. Вахитов Ш. Современные микрофоны и их применение. / Радио. 1998. №11.-С. 16.

12. Scheeper P. R., Van der Donk A. G. Н., Olthuis W. and Bergveld P. A Review of Silicon Microphones / Sensors Actuators. 1994. A4. 1-11.

13. L. Rafkin, The Funder / Forbes Magazine. April 2. 2001.

14. J.J. Neumann Jr. and K.J. Gabriel CMOS-MEMS Membrane for Audiofrequency Acoustic Actuation / Sensors and Actuators. A 95. (2000) 175-182.

15. Brett M. Diamond, John J. Neumann, Kaigham J. Gabriel, Digital Sound Reconstruction Using Arrays of CMOS-MEMS Microspeakers / presented at The 12th International Conference on Solid State Sensors / Actuators and Microsystems. Boston. June 8-12.2003.

16. G.K. Fedder, S. Santhanam, Laminated High-Aspect-Ratio Microstructures in a Conventional CMOS Process / Sensors and Actuators. A 57. (1996). 103-110.

17. H. Xie and G. K. Fedder, A CMOS Z-Axis Capacitive Accelerometer With Comb-Finger Sensing / Proceedings of the 13 th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '00), pp. 496-501. January 23-27. 2000. Miyazaki. Japan.

18. M. Manteghi, F. Yang, A Novel MEMS Wireless Microphone / Electrical Engineering Dept., F. Chamaran and J. P. Fu, Mechanical Engineering Dept., University of California, Los Angeles, Los Angeles, С A 90095.

19. Y. Zhang et. al., An Ultra-sensitive, High-vacuum Absolute Capacitive Pressure Sensor / IEEE J. MEMS, 2001,- P. 166-169.

20. Ю.Б.Колесов, Ю.Б. Сениченков Имитационное моделирование сложных динамических систем / http://www.exponenta.ru/soft/others/mvs/dssim.asp.

21. J. J. Neumann, Jr., and К. J. Gabriel A Fully-Integrated CMOS-MEMS Audio Microphone / MEMS Laboratory, ECE Dept., 1209 Hamerschlag Hall, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Ave., Pittsburgh, PA15213-3890, USA.

22. H.T. Souther, B.B. Bauer Audio Engineering Society, Microphones, An Adventure in Microphone Design, Equivalent Circuit Analysis of Mechano-Acoustic Structures/Anthology, 1979,

23. JI. Ю. Бочаров, П. П. Мальцев. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА, №1, 1999, с. 41-44.

24. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Электронная версия руководства к ANSYS ANSYS - Core, 001252, Fifth Edition, ANSYS Release 5.6, Published November 1999, ANSYS, Inc., ANSYS, Inc. is a UL registered ISO 9001: 1994 Company. Казань 2001.

25. Senol Mutlu, Surface Micromachined Capacitive Accelerometer With Closed-Loop Feedback Electrical / Engineering and Computer Science Department, University of Michigan Ann Arbor, Michigan 48109-2122, e-mail: [e-mail]

26. Александр Волович, Георгий Волович, Интегральные акселерометры / http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/0201/stat66.htm

27. А.В. Завьялов, Н.Г. Коломенская, Е.Д. Молчанова, Сверхбольшие интегральные семы типа "система на кристалле" и сложные функциональные блоки: основные нюансы при разработке нормативных документов / Микросистемная техника. №10. 2005. С. 19-22.

28. В. Т. Рене, Электрические конденсаторы / 3 изд., JL, 1969.

29. Электреты / Пер. с англ. под ред. Г. Сесслера. М: Мир, 1983.487 с.

30. Вахитов Ш. Современные микрофоны и их применение. // Радио, 1998, №11. -С. 16.

31. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. PSPICE-модель электретного преобразователя физических величин / Известия ВУЗов. Электроника, №4, 2006г, стр. 59-64.

32. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0/ М. Солон-Р, 2000, 698с.

33. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. Разработка схемы поддерживающей резонансные колебания чувствительного элемента микромеханической системы / Нано- и микросистемная техника, №2, 2006г, стр. 29-35.

34. Фёдоров Р.А. Шелепин Н.А. SPICE-модель электростатического конденсаторного преобразователя физических величин / Оборонный комплекс -научно техническому прогрессу России, №3, 2006г, стр. 61-66.