MEMS 自動化設計的完整平台
對應 MEMS 設計與 MEMS / IoT 整合的各種挑戰
MEMS 設計存在許多專業的挑戰，包括製造工藝與設計的結合，具有多物理耦合的非綫性複雜結構，與 CMOS 電路的整合以及定制封裝的需求等等。隨著微型化、IoT 設備與 MEMS 整合的需求日益增加，MEMS 設計也越趨複雜。傳統的設計工具已經無法應對這些挑戰，這導致容易錯失了市場機會。CoventorMP 是一個完整專業的 MEMS 設計平台，使得 MEMS 開發者能夠更有效地設計，優化以及整合 MEMS。
CoventorMP® 具有兩個設計工具：MEMS+ 和 CoventorWare，組成了一體化的 MEMS 整合自動設計環境。只需要匯入一個 GDS 設計，即可在 MEMS+ 上創建精簡的有限元模型，或在 CoventorWare 上創建傳統的有限元模型。對於 MEMS 開發者來說，從建模到多物理耦合分析都非常容易操作與使用。CoventorMP 設計套件能夠幫助開發者提升設計效率並縮短開發時間，此外 CoventorMP 也能將 MEMS 設計無縫整合到封裝系統以應對需求漸增的汽車電子、消費性產品、工業以及國防等市場。
特點
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全新的一體設計模擬化平台 |
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一鍵輸出 MEMS+ 模型，包括特性 |
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分析應力集中等元器件細部行爲 |
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為 MEMS+ 創建更精確的自定義子結構模型 |
應用
Coventor 軟體被廣泛地使用在領先的 MEMS 製造公司、代工廠以及研發中心用於設計開發各種類型的 MEMS 產品，包括：
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加速計 (Accelerometers) |
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陀螺儀 (Gyroscopes) |
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麥克風 (Microphones) |
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致動器 (Actuators) |
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微鏡 (Micro Mirrors) |
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微輻射熱測定器 (Microbolometers) |
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壓力傳感器 (Pressure Sensors) |
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開關 (Switches) |
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共振器 (Resonators) |
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等等………… |
優點
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在製造前精準預測 MEMS 元件行爲，減少昂貴且耗時的製造和測試週期。 |
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使用比傳統有限元模型快 100 倍的精簡模型快速探索設計概念並加速設計的優化。 |
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可以輕鬆執行使用傳統模擬軟體所無法處理需要的大量計算的瞬態模擬分析。 |
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避免 MEMS 設計資料在不同軟體手動傳輸所導致的人爲錯誤。 |
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自動為 Simulink® System 和 Cadence Virtuoso® Schematic 生成出 MEMS 元件模型，來免除需要工程師耗時人工維護 MEMS 模型的工作。 |
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採用全參數化模型設計，方便減少和調查製造中產生變化的敏感性。 |
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使用全参數模型來製造設計，來降低對於製造變異的靈敏度。 |
CoventorMP 設計工具
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MEMS+
MEMS+ 爲工程師提供一個整合的設計環境，進行 MEMS 元件與系統與電路的共同設計平台。對於依賴靜電進行感測以及驅動的 MEMS 裝置，MEMS+ 是一個非常理想的設計優化工具。同時 MEMS+ 也支援壓電式傳感器和驅動器。
參數化設計入口
MEMS+ 的設計輸入從製造技術的參數定義開始，包括製程堆疊和材料特性。這套工具包括了參數化的 MEMS 元件的零件庫，與積木相似。例如硬性形狀 (Rigid shapes)、靈活的機械形狀 (Flexible Mechanical shapes) 、電極 (Electrodes)、和靜電梳 (Electrostatic combs)等。其中自定義的 Rigid Shapes 可以用 GDS2 layout 格式導入。設計者可以從選定的元件，在直覺的 3D 使用者界面中組成自己想要的 MEMS 元件。以上所有操作也都可以透過 MATLAB 和 Python 編程實現。最後呈現出具有參數化的 MEMS 元件模型，為快速自動化設計做進一步設計研究。
快速探索概念與設計優化
在 MEMS+ 組成的 MEMS 元件模型，實際上都屬於精簡的有限元素模型。但模型支援完整的多重物理耦合，包括機械、靜電場、壓電感應層 (piezo layers) 、氣體擠壓膜阻尼 (squeezed film gas damping) 和熱機械效應 (thermo-mechanical effects)。設計者可以使用 MEMS+ 内建的模擬器、MathWorks 或者 Cadence 環境中，針對 MEMS+ 模型進行多物理行爲的模擬。MEMS+ 可以自動生成降階模型 (ROMS) 以導出到 Simulink 和 Verilog-A。此外，MEMS+ 還可對 MEMS 元件施加封裝熱機械效應分析，模擬最終溫度穩定性。
相比於傳統的有限元素模型，MEMS+ 的模型是非常精簡。所以 MEMS+ 的模擬分析可以非常快，可以在幾分鐘内完成，不像傳統的模型需要花好幾個小時。這種速度優勢以及參數化模型的特性為研發團隊在探索設計概念、優化設計和評估製程變化上開闢了新的可能性。
系統級建模
透過與 MathWorks 環境的整合，可以輕鬆地使用 MATLAB 腳本自動進行模擬，藉由將 MEMS+ 模塊包含在 Simulink 系統模型中。設計人員可以對單獨多物理場 MEMS 元件或連接驅動或對讀出信號執行 DC、AC 和暫態的模擬分析。其他的功能包括：靜電 Pull-in、Lift-off 分析和非綫性頻率響應。
電路建模
透過與 Cadence Virtuoso 環境整合，使得導入 MEMS+ 模型非常便利，在 Virtuoso 環境中同時將驅動電路和 MEMS 元件的輸出信號連接。設計者可以進行 DC、AC、暫態和雜訊的分析、模擬 MEMS 作動的別型行為 (nominal behavior) 以及評估在各種製程下的 corner 變異。另外 MEMS+ 的設計檔案也可以輸出成 PCells 格式，用於整合晶片設計並進行製造物理驗證。
標準功能
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參數化設計入口 |
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元件模擬： |
- DC 分析 (Equilibrium) |
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- 模型分析 |
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- 小信號 AC 分析 (Harmonic) |
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3D 可視化及動畫 |
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全耦合多物理模擬：機構、靜電場、氣體阻尼、壓力載荷、壓電層 |
必要選配 (建議至少 1 項)
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MathWorks 整合 |
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- MEMS+ 系統暫態模擬 |
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- 完整的 MATLAB 脚本界面 |
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Cadence 整合 |
- MEMS+ IC 暫態模擬 |
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- 雜訊分析 |
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- 可導出為 Cadence Virtuoso Layout 的 PCells |
選配功能
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進階的感測器建模 |
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- 自動生成 Simulink 的降階模型 (ROM) 和 Verilog-A 模型 |
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- 封裝熱結構效應 |
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- 内建雜訊分析 |
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- Pull-in/Lift-off 分析 |
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- 分綫性頻率響應 |
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支持 Cadence Spectre APS 模擬器 |
CoventorWare
CoventorWare 是一套整合了前處理和後處理工具的電磁場求解器。這套工具包含了許多針對 MEMS 特有的功能，所以對於模擬 MEMS 以及其他微型製造裝置來説，CoventorWare 比起通用的有限元素工具成爲首選。
專為 MEMS 前處理和 Meshing 的優化
CoventorWare 具有許多專門為 MEMS 開發的功能，使得有效的模擬仿真模型的準備工作變得容易。3D 模型可以透過 layout 或者從 MEMS+ 等其他軟體導入。每個模型可以根據 layout 輕鬆的劃分，能夠讓高應力區域的 meshing 更加細膩。大部分 MEMS 都是高縱橫比的結構，爲了更高效的對其切 Mesh，應採用六邊形而不是四邊形的 Mesh。CoventorWare 包含了各種 meshing 的演算法，得以生成針對 MEMS 結構優化的漂亮的六邊形 Mesh。
世界級的機電耦合分析
CoventorWare 因模擬靜電電容和靜電力以及非線性耦合機電效應，如吸附 (pull-in)、舉離 (lift-off) 和靜電彈簧軟化 (electrostatic spring softening），因提供非常高的精準性和效率收到廣泛的喜愛。其他有限元素工具需要對運動元件周圍的空氣縫隙進行 Mesh 的切割，當表面接觸時，會使得相關的網格重新生成和出現強度問題，而且平行板電容的空氣縫隙 Mesh忽略了電場的邊緣效應，導致模擬結果不準確。CoventorWare 采用了混合的有限元素 / 邊界元素 (FEM/BEM) 的算法，可以準確快速地進行機電耦合分析。
MEMS 特有的物理效應分析
對於 MEMS 特有的物理效應，例如製造中產生的應力、氣體阻力、體聲諧振器的壓電效應 (PZE)，壓阻式 (PZR) 傳感以及驅動器微幅射探測器的電熱效應等等，CoventorWare 具有額外模擬功能能夠快速進行精確的求解。
標準功能
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材料屬性和製程入口 |
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Layout 編輯器，支援 GDS2、DXF 導入 / 輸出 |
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2D Layout 到 3D 模型建立 |
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模型前處理： |
- 自動化 Mesh |
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有限元素求解 |
- 機構、熱、熱機構 |
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- 等效、模態、諧波、瞬態的分析 |
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- 應力場分析 |
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邊界元素求解器 |
- 靜電力、電容 |
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準靜態耦合機電結構求解器 |
- 吸附 (Pull-in)、舉離 (Lift-off)、靜電彈簧軟化 (Electrostatic Spring Softening) |
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可視化結果 (2D、3D 和數據查看) |
選配功能
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Ansys Mesh 的輸出 (.CDB 格式) |
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MEMS 延申分析 |
- 壓電效應，包括對 BAW 諧振器的頻率掃描 |
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- 壓阻效應 |
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- 氣體阻尼 - 雷諾和斯托克斯求解器 (Reynolds and Stokes Solvers) |
其他擴充功能
MEMS+ Parametric Design Entry
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參數化的材料屬性 |
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參數化的製程定義 |
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參數化、自定義的元件庫 |
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參數化的 3D 設計 |
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MATLAB 及 Python 脚本界面 |
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Layout 編輯器，支援 GDS2、DXF 導入 / 輸出 |
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2D Layout 到 3D 模型創建 |
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3D 模型導出到 CoventorWare |
MEMS Process Design Kits (PDK)
MEMS PDK 可以幫助 MEMS 代工廠的客戶使用經過驗證的 MEMS 技術提供「一次就對」的設計，從而為代工廠及其客戶節省開發成本並縮短產品上市時間。Coventor 持續與領先的 MEMS 代工廠合作開發 MPDKs。Coventor 提供 MPDK 開發服務和應用支持，以幫助代工廠利用其成熟的 MEMS 技術。