MEMS各种仿真软件的比较分析.doc

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《MEMS器件、仿真与系统集成》期中测验（三）

（占考试成绩的20%，中英文答题均可，5月30日交电子版。

任课教师：

陈剑鸣）

研究生：

段海军（签字）

学号：

2010211014

¨MEMS设计、仿真软件的综合比较。

（占本课程的20%）。

具体要求：

1）用表格形式对MEMS常用的软件进行比较。

比较的软件四大类：

TannerPro（主要是L-edit），HFSS,CoventorWare，IntelliSense，ANSYS

2）比较的内容：

ü公司、厂家；

ü软件的总体描述；

ü软件的模块关系（模块组成）；

ü按模块来阐述的主要用途；

ü按模块来阐述的性能参数；

ü软件所做的实例图（分模块）。

ü你对此软件（或者是具体模块）的看法和评价，不少于5个模块。

作业作答如下：

由于制作表格不是很方便，每个软件包含的内容非常多，所以我采用如下形式的方式来分析比较上面五个软件。

一TannerPro（主要是L-edit）

1.1公司、厂家：

TannerResearch公司

1.2软件的总体描述

Tanner集成电路设计软件是由TannerResearch公司开发的基于Windows平台的用于集成电路设计的工具软件。

该软件功能十分强大，易学易用，包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit与LVS，从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。

其中的L-Edit版图编辑器在国内应用广泛，具有很高知名度。

　　L-EditPro是TannerEDA软件公司所出品的一个IC设计和验证的高性能软件系统模块，具有高效率，交互式等特点，强大而且完善的功能包括从IC设计到输出，以及最后的加工服务，完全可以媲美百万美元级的IC设计软件。

L-EditPro包含IC设计编辑器（LayoutEditor）、自动布线系统（StandardCellPlace&Route）、线上设计规则检查器（DRC）、组件特性提取器（DeviceExtractor）、设计布局与电路netlist的比较器（LVS）、CMOSLibrary、MarcoLibrary，这些模块组成了一个完整的IC设计与验证解决方案。

L-EditPro丰富完善的功能为每个IC设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。

TannerToolsPro是一套集成电路设计软件，包含以下几种工具：

S-Edit（编辑电路图）。

T-Spice（电路分析与模拟）。

W-Edit（显示T-Spice模拟结果）。

L-Edit（编辑布局图，自动布局布线，DRC，电路转化）。

LVS（版图和电路图对比）。

1.3软件的模块关系及其主要用途与实例图

S-Edit模块：

可以继续在Core模块中继续寻找更低一级的模块，直至到MOS晶体管。

T-Spice模块：

是电路仿真与分析的工具，文件内容除了有元件与节点的描述外，还必须加上其他的设定。

有包含文件（includefile）、端点电压源设置、分析设定、输出设置。

L-Edit模块：

是一个布局图的编辑环境功能包括设计导航、分析图层、截面观察、设计规则检查、转化等。

LVS模块：

是用来比较布局图与电路图所描述的电路是否相同的工具，也就是说比较S-Edit绘制的电路图与L-Edit绘制的布局图是否一致。

图1S-Edit模块界面图

图2S-Edit实例图

图3（a）T-Spice模块等效电路图（b）模拟仿真结果

1.4TannerPro软件的设计流程

TannerPro软件的设计流程可用如下图4所示；将要设计的电路先以S-Edit编辑出电路图，再将该电路图输出成SPICE文件。

接着利用T-Spice将电路图模拟并输出成SPICE文件，如果模拟结果有错误，N回S-Edit检查电路图，如果T-Spice模拟结果无误，则以L-Edit进行布局图设计。

用L-Edit进行布局图设计后要以DRC功能做设计规则检查，若违反设计规则，再将布局图进行修改直到设计规则检查无误为止。

将验证过的布局图转化成SPICE文件，再利用T-Spice模拟，若有错误，再回到L-Edit修改布局图。

最后利用LVS将电路图输出地SPICE文件与布局图转化的SPICE文件进行对比，若对比结果不相等，则回去修改L-Edit或S-Edit的图；直到验证无误后，将L-Edit设计好的布局图输出成GDSII文件类型，再交由工厂去制作半导体过程中需要的光罩。

如下是Tanner数字ASIC设计流程图：

图4Tanner数字ASIC设计流程图

1.5L-Edit模块介绍

（1）L-Edit画图布局详细步骤

1）打开L-Edit程序，保存新文件。

2）取代设定（File-ReplaceSetup）。

3）环境设定（Setup-Design）。

4）选取图层。

5）选择绘图形状绘制布局图。

6）设计规则设定（MOSIS/OPBIT2.OU）和设计规则检查（DRC）。

7）检查错误，修改（移动）对象。

8）再次进行设计规则检查。

（2）使用L-Edit画PMOS布局图

1）用到和图层包括NWell,Active,NSelect,PSelect,Poly,Metal1,Metal2,ActiveContact,Via。

2）绘制NWell图层：

L-Edit编辑环境是预设在P型基板上，不需定义P型基板范围，要制作PMOS，首先要作出NWell区域。

根据设计规则Well区电最小宽度的要求（10），可画出NWell区。

3）绘制Active图层：

定义MOS管的范围。

PMOS的Active图层要绘制在NWell图层之内。

根据设计规则要求，Active的最小宽度为3。

可在NWell中画出Active图层。

4）绘制PSelect图层：

定义要布置P型杂质的范围。

绘制前进行DRC可发现相应错误。

绘制时注意遵守规则：

NotSelectedActive。

绘制时注意遵守规则：

ActivetoP-SelectEdge最小2。

同时还要注意pdiff层与NWell层要遵守5。

5）绘制Poly图层：

定义成长多晶硅，最小宽度2。

6）绘制ActiveContact图层：

源极、漏极接电极需要。

标准宽度2。

7）绘制Metal1图层：

最底层的金属线。

图5使用L-Edit画PMOS布局图

（3）使用L-Edit编辑标准逻辑元件

1）标准元件库中的标准元件的建立符合某些限制，包括高度、形状与连接端口的位置。

标准元件分为逻辑元件与焊垫元件。

2）操作流程：

进入L-Edit-建立新文件-环境设定-绘制接合端口-绘制多种图层形状-设计规则检查-修改对象-设计规则检查

3）绘制接合端口：

每一个标准元件一个特殊的端口叫做接合端口，它的范围定交出元件的尺寸及位置即元件的边界。

4）绘制电源与电源接口:

典型标准元件的电源线分布在元件的上端和下端。

注意标准单元库中的每一个标准元件其电源端口必须有相同的真对高度，且电源端口的宽度必须设定为0，位置必须贴齐Abut范围的两边。

5）绘制NWell层：

在P型基板上制作PMOS的第一步流程。

横向24格，纵向38格。

6）编辑NWell节点：

因为PMOS基板也需要电源，故需要在NWell上建立一个欧姆节点。

在Abut端口的上方，绘制出Active,NSelect、ActiveContact这3种图层。

7）编辑P型基板节点：

NMOS基板也需要接地，故此需要在Pbase上建立一个欧姆节点。

在Abut端口的下方，绘制出Active、PSelect、ActiveContact这3种图层。

8）绘制PSelect图层。

植入P型杂质需要。

两部分：

一是在NSelect右边加上一块横向11格、纵向10格；一是在下方再加上横向18格，纵向22格。

9）绘制NMOSActive图层：

定义MOS的范围，Active以外的地方是厚氧化层区（或称场氧化层）。

一是在原上部Active下接一块横向12格，纵向4格的方形Active，一是在其下方再画横向14格、纵向18格的方形Active。

10）绘制NSelect图层：

植入N型杂质需要。

一是在Abut下部PSelect右边加横向11格，纵向10格；一是在刚上方加横向18格，纵向22格。

11）绘制PMOSActive图层：

一是在原下部Active上接一块横向12格，纵向4格的方形Active，一是在其上方再画横向14格、纵向18格的方形Active。

12）绘制Poly层：

Poly与Active相交集为栅极所在位置。

横向2格，纵向70格。

绘制完此步，请先进行DRC无误后再继续。

13）绘制输入信号端口（A）：

标准元件信号端口（除电源和地）的绕线会通过标准元件的顶端或底部。

一个标准元件信号端口要求高度为0，且宽度最好为整数值。

自动绕线时用Metal2，故需先将输入端口由Metal2通过Via与Metal1相连，在通过Metal1通过PolyContact与Poly相连。

DRC确认无误。

14）绘制PMOS源极接线：

需要将PMOS左端P型扩散区与Vdd相连。

利用Metal1与Vdd相连，Metal1与Active间通过ActiveContact相接。

15）绘制NMOS源极接线：

需要将NMOS左边N型扩散区与Gnd相连。

利用Metal1与Gnd相连，Metal1与Active间通过ActiveContact相接。

16）连接PMOS与NMOS的基极：

将NMOS的右边扩散区和PMOS的右边扩散区利用Metal1相连，并在Metal1与Active重叠区打上节点。

17）绘制输出信号端口（OUT）。

18）更改元件名称为INV，转化为spice文件（TOOLS－Extract）。

1.6L-Edit的实际范例

L-Edit是一个布局图的编辑环境，在此以TannerToolsPro所附的范例Lights.tdb文件为例，进行L-Edit基本结构的介绍。

Lights.tdb文件中有很多组件（cell），Lights组件、core组件、IPAD组件、OPAD组件等，每一个组件都是一个布局图，一个组件可以应用其他组件而形成层次式结构。

Lights.tdb文件是个标准组件组动配置与绕线（SPR）的范例。

此范例是利用S-Edit的Lights.tdb文件输出地TRP文件来进行标准组件自动配置与绕线而产生Lights组件的。

图6范例电路图

图7（a）只显示Poly，Active，Nwell图层（b）截面观察

二HFSS

2.1公司、厂家：

美国Ansoft公司

2.2软件的总体描述

AnsoftHFSS（全称HighFrequencyStructureSimulator,高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：

射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

2.3软件的模块组成及其主要用途

DESIGNER模块：

在DESIGNERTM里结合二维版图，工艺流程，和材料特性，CoventorWareTM可以生成三维模型，进行网格的自动划分。

ANALYZER模块：

针对客户所关心的问题，分析人员可以调用ANALYZERTM里专门针对MEMS器件分析开发的多个求解器，对MEMS器件的三维模型进行结构力学、静电学、阻尼、电磁学、多物理场耦合（含压电,,及压阻问题）、微流体（主要涉及Biochip和Inkjet）等物理问题的详细分析。

ANALYZERTM还可对边界条件、材料特性、三维模型几何形状等进行参数分析，研究这些参数对器件性能的影响。

INTEGRATOR模块：

利用INTEGRATORTM，设计人员可以从三维分析结果提取MEMS器件宏模型，反馈回ARCHITECTTM里进行系统性能的验证，从而完成MEMS的设计。

支持的格式包括：

Verilog-A（Cadence）,MAST（Architect）,andMATLAB同时，用户也可以利用INTEGRATORTM建立自己MEMS产品涉及到的宏模型库，为新产品的开发提供技术储备。

2.4AnsoftHFSS的应用领域

2.4.1天线

（1）面天线：

贴片天线、喇叭天线、螺旋天线

（2）波导：

圆形/矩形波导、喇叭、波导缝隙天线

（3）线天线：

偶极子天线、螺旋线天线

（4）天线阵列：

有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、

（5）雷达散射截面（RCS）

2.4.2微波

（1）滤波器：

腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器

（2）EMC（ElectromagneticCompatibility）/EMI（ElectromagneticIntergerence）：

屏蔽罩、近场－远场辐射

（3）连接器：

同轴连接器\底板、过渡

（4）波导：

波导滤波器、波导谐振器、波导连接器

（5）Silicon/GaAs：

螺旋电感器、变压器

2.5HFSS的操作界面和菜单功能介绍

AnsoftHFSS的界面主要包括：

菜单栏（Menubar）、工具栏（Toolbars）、工程管理（ProjectManage）窗口、状态栏（Statusbar）、属性窗口（Propertieswindow）、进度窗口（Progresswindow）、信息管理（MessageManage）窗口和3D模型窗口（3DModelerWindow）。

图8AnsoftHFSS的操作界面

菜单栏（Menubar）:

绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。

工具栏（Toolbar）:

对应菜单中常用的各种命令，可以快速方便的执行各种命令。

工程管理（ProjectManage）:

窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。

状态栏（Statusbar）:

位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。

属性窗口（Propertieswindow）:

显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性。

进度窗口（Progresswindow）:

监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。

信息管理（MessageManage）:

窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。

3D模型窗口（3DModelerWindow）:

是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树（记录创建模型的过程）。

三CoventorWare

3.1公司、厂家：

美国Coventor公司

3.2软件的总体描述

CoventorWare是在著名的MEMCAD软件上发展起来的，目前业界公认的功能最强、规模最大的MEMS专用软件。

拥有几十个专业模块，功能包含MEMS系统/器件级的设计与仿真,工艺仿真/仿效。

其主要用于四大领域：

Sensors/Actuators,RFMEMS,Microfluidics,OpticalMEMS。

CoventorWare具有系统级、器件级的功能的MEMS专用软件,其功能覆盖设计、工艺、器件级有限元及边界元分析仿真、微流体分析、多物理场耦合分析、MEMS系统级仿真等各个领域。

CoventorWare因其强大的软件模块功能、丰富的材料及工艺数据库、易于使用的软件操作并与各著名EDA软件均有完美数据接口等特点给工程设计人员带来极大的方便。

3.3软件的模块组成及其主要用途

CoventorWare软件主要包括四个模块：

ARCHITECT，DESIGNER，ANALYZER，INTEGRATOR。

ARCHITECT模块：

提供了独有的PEM（机电）、OPTICAL（光学）、FLUIDIC（流体）库元件，可快速描述出MEMS器件的结构，并结合周围的电路进行系统级的机、电、光、液、热、磁等能量域的分析，找到最优的结构、尺寸、材料等设计参数，从而生成器件的版图和工艺文件。

DESIGNER模块：

可进行版图设计、生成器件三维模型、划分网络单元。

ANALYZER模块：

可采用FEM（有限元法）、BEM（边界元法）、BPM（光速传播法）、FDM（有限差分法）、VOF（体积函数法）等分析方法进行结构分析、电磁场分析、压电分析、热分析、微流体分析、光学分析及多物理场的全耦合分析等。

INTEGRATOR模块：

最后从三维分析结果中提取MEMS器件的宏模型，反馈回ARCHITECT进行系统或器件性能的验证，完成整个设计。

3.4CoventorWare的基本内容

CoventorWare由可单独使用以补充现有的设计流程，或者共同使用以提供一个完整的MEMS设计流程的4个主要部分组成。

其中包括Architect,Designer,Analyzer和Integrator。

该工具套件的完整性和模块间高度的一体化程度提高了整体效率和易用性，使用户摆脱了在多个独立工具设计间手工传递数据的负担。

图9CoventorWare工作流程图

3.5CoventorWare分析的基本步骤

CoventorWare分析的基本步骤包括：

①定义材料属性；②生成工艺流程；③生成二维版图；④通过二维版图生成三维模型；⑤划分网格生成有限元模型；⑥设定边界条件、加载；⑦求解；⑧提取、查看结果。

以下我们以实例介绍该软件的整个仿真过程：

悬臂梁与硅基底间电容的计算和悬臂梁的受力分析

3.5.1工艺过程

（1）在硅基底上沉积一层氮化物（绝缘层）

（2）再在其上沉积一层硼磷硅玻璃（BPSG）作为牺牲层（用于沉积铝）

（3）刻蚀出支座（anchor）将要沉积的位置

（4）采用等边沉积法沉积铝层

（5）留下支座（anchor）和悬臂梁（beam）部分，刻蚀其余的铝层

（6）释放BPSG牺牲层

3.5.2具体设计过程

（1）启动CoventorWare2003，在用户设置中设定Directory（目录），包括WorkDirectory、ScratchDirectory、SharedDirectory。

只需设定工作目录，下面两个目录是默认的，系统会自动将它设定到相应的工作路径下，CoventorWare所有运行生成的文件都会写在该目录下（该目录必须是已经存在的目录，在启动时是无法新建工作目录的）。

许可文件的位置，包括CoventorLicense、CFDlicense、Saberlicense，在安装时就已设定，默认即可。

（2）单击OK后，系统进入ProjectsDialogWindow（工程对话窗口），新建工程名称为BeamDesign的文件夹，单击Open进入FunctionManager（功能管理器）界面。

（3）进入DESIGNER模块，在Materials中定义材料属性，选择Aluminum（film），根据题设修改其参数；再选择Silicon，方法相同。

单击Close，就可编辑工艺过程。

（4）进入ProcessEditor（工艺编辑器），新建一个工艺文件beam.proc，根据上述工艺过程在工艺编辑器中设计整个流程，如图7所示。

设计完后，单击Close，就可进行版图设计。

图10工艺过程

（5）进入LayoutEditor（版图编辑器），新建beam.cat文件，根据预先设计的形状设计整个模型的二维版图，如图11所示。

设计完后，单击Close即可。

anchormask

beammask

GNDmask

图11二维工艺版图

（6）在model/mesh下拉栏里选择上步设计的二维版图文件beam.cat，单击BuildaNew3DModel。

通过工艺文件beam.proc设定的厚度和模型在二维版图文件beam.cat中的形状，就可生成三维实体模型，如图12所示。

（a）在牺牲层上沉积铝层（b）释放牺牲层得到模型

图12三位实体模型

（7）然后选取悬臂梁和基底，划分网络单元。

因为要使用有限元求解器，必须将选择的实体模型划分网格使生成若干单元体，这与ANSYS的处理过程相同。

（8）再次回到FunctionManager（功能管理器）界面 ，进入ANALYZER模块，选择MemElectro求解器，点击Analysis运行后，就可以选择提取所需的电容和电量值及电量密度的彩云图；同样要求解悬臂梁的应力和变形，选择MemMech求解器，同样可以提取悬臂梁的变形和应力值及彩云图。

（9）提取、查看结果。

所求得的电量和电容值如图13（a）、（b）；所示所求得的应力和变形值如图14（a）、（b）所示。

图13（a）电荷密度（b）电容值

图14（a）Z向最大位移为0.16μm（b）悬臂梁所受最大等效应力值为39MPa

图14悬臂梁变形和应力图

四ANSYS

4.1公司、厂家：

美国ANSYS公司

4.2软件的总体描述

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包，是迄今为止唯一通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。

该软件是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准软件。

与当前流行的其他有限元软件相比，ANSYS有明显的优势及突破。

ANSYS具有能实现多场及多场耦合分析的功能，是唯一能够实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型有限元软件，和其他有限元软件相比，ANSYS的非线性分析功能更加强大，网格划分更加方便，并具有更加快速的求解器。

同时，ANSYS是最早采用并行计算技术的有限元软件，它支持从微机、工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台，并可与大多数的CAD软件集成并有交换数据的接口，ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级，同时，国际上也公认其适于MEMS器件的模拟分析，这是其他有限元分析软件所无法比拟的。

ANSYS有限元软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、机械制造、电子、土木工程、国防军工、日用家电等一般工业及科学研究领域。

ANSYS是国际公认的适用于MEMS模拟分析的软件工具。

其主要分析功能包括以下几个方面。

（1）结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析（包括模态和瞬态），断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析等。

（2）热分析包括稳态