Проектирование МЭМС.
Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано, то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания и моделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всё вышеуказанное объединяется в ёмкое понятие "CAE - Computer aided engineering" (автоматизированное проектирование). Специфические характеристики и различия между проектированием, производством и применением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациями вытекают из их размеров.
Проектирование микросистем можно охарактеризовать несколькими предложениями:
1. Для изготовления микросистем главным образом используется групповая технология.
При использовании подобной технологии одновременно обрабатывается большое количество элементов, при чём ручное вмешательство либо вообще не требуется, либо оно незначительно. Например, осаждение плёнок, оптическая литография, гальваника или травление. Многие из этих технологий были развиты в полупроводниковой технологии.
2. Часто используемые материалы: кремний, металлы (никель, золото, медь, алюминий), керамика (Al2O3, AlN) и синтетика (полиимид, полиметилметакрилат). Обширные знания об этих материалах были приобретены из полупроводниковой промышленности. К тому же кремний, например, имеет выдающиеся механические характеристики в микродиапазоне.
3. Так как микросистемы имеют крошечные размеры, следовательно материальные издержки малы, а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, что накладываются особые требования на необходимую чистоту материалов.
4. Стоимость заводов по производству высока. Производственное оборудование требует очень высокой точности (чистое помещение, покрытие…). Кроме того, высокие издержки расходуются на обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом, контроль над нанесением покрытия).
5. Микросистемы экономически выгодно производить только в больших объёмах. Как простая производственная модель, цена может быть разложена на переменные издержки и постоянные. Таким образом, стоимость одной единицы изделия получаем из закона массового производства. Зависимость представлена на рис 1.
рис 1. Зависимость стоимости единицы продукции от объёмов прозводства при массовом производстве. а) неограниченная производственная мощность b) повышение стоимости единицы продукции при превышении границы прозводственной мощности
Помимо производственных издержек, в состав постоянных издержек включается и затраты на конструкторские работы. Инвестиции в производство микросистем относительно высоки, но материальные и производственные издержки относительно малы. Низкая стоимость одной единицы устройства достигается участием большого количества производимых изделий при групповом производстве. Приближение к границе мощности нагрузки производственного оборудования приводит к суперпропорциональному увеличению затрат, из-за чего увеличивается стоимость одной единицы изделия.
6. Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов. Если схема производства для массового производства по групповой технологии нарушается, то это влечёт за собой дополнительные расходы. Поэтому производство опытного образца следует избегать настолько, насколько это возможно.
7. Кроме высокой стоимости производства опытного образца для выполнения производственного цикла требуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, цикл занимает несколько дней, недель или даже полгода. За тоже самое время огромное количество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.
8. Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждый следующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия
{а). Планирование проекта; б). Проектирование; в). Производство; г). Сбыт; д). Сервисное обслуживание; е).Утилизация} проектирование экстенсивно воздействует на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки на проектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % от общей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.
9. Высокая стоимость опытного образца для микросистем и частой сложности более чем нескольких физических уровней требуют обширного использования инструментальных средств моделирования для того, чтобы надежно предсказывать функционирование системы на более ранних этапах.
10. В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем и особенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель при разработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему в первой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока (около 10%), контролируемость системы также является важной задачей при проектировании.
По сравнению с традиционными технологиями проектирование микросистем имеет важнейшее значении из-за накладываемый на этот этап ценовой ответственности за последующие этапы, из-за высокой стоимости опытного образца и отсутствия возможности ремонта. Проектирование охватывает шаги от анализа вариантов до функциональной оптимизации и конечной производственной документации.
На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, таких как сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющей и вычислительной электроникой, главным образом гибридной или монокристальной в случае технологии совместимой со СБИС. В будущем многосенсорные применения и сложные микросистемы позволят получить локальное разрешение или идентификацию и обработку сложных изображений, запахов (искусственный глаз, искусственный нос) параллельным детектированием множества сигналов. Развитие микросистем, разумеется, имеет высокий потенциал по уменьшению издержек (затраты на материалы и оборудование, количество технологических операций) и по улучшению функциональных свойств (точность, рабочий диапазон, чувствительность сенсоров) при одновременном повышении надёжности.
С увеличением сложности устройств, можно ожидать, что проектирование микросистем займёт такую же позицию, какую на сегодня имеет проектирование СБИС. Микросистемы, однако, в противоположность чисто электронным (в особенности цифровым) схемам отличаются разнообразием применений . Для проектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельные этапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Взаимосвязь между задачами проектирования и моделирования представлена на рис 2.
рис 2. Связь между проектированием и задачами моделирования и имитации в среде проектирования.
Не все шаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальное проектирование и разработка принципов действия основано на творческой способности разработчика и, следовательно, не может быть стандартизировано. Её можно только в небольшой степени поддержать средой проектирования.
| Раздел Проектирование МЭМС составлен с использованием учебных материалов М. Каспера. [2]
|
|
