Автореферат (Маршрут автоматизации системного проектирования микрооптоэлектромеханических систем)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования «Московский ГосударственныйТехнический Университет имени Н.Э. Баумана»(МГТУ им. Н.Э. Баумана)На правах рукописиУДК 621.382Косолапов Илья АлексеевичМАРШРУТ АВТОМАТИЗАЦИИСИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯМИКРООПТОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМСпециальность: 05.13.12 – «Системы автоматизации проектирования(в электронике, радиотехнике и связи)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре «Проектирование и технологияэлектронных средств» Федерального государственногообразовательного учреждения высшего профессиональногоМосковскийГосударственныйТехническийимени Н.Э.

Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).производствабюджетногообразованияУниверситетНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорЗинченко Людмила АнатольевнаОфициальные оппоненты:доктортехническихнаук,профессор,заведующийкафедройвычислительнойтехникиМосковскогоЭнергетическогоИнститута Топорков Виктор Васильевичкандидат технических наук, Козлов ДмитрийВладимировичВедущая организация:Санкт-Петербургскийгосударственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ»имени В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ«ЛЭТИ»)Защита диссертации состоится «28» апреля 2015 г.

в 11 час. 40 мин.на заседании диссертационного совета Д 212.125.02 при Московскомавиационном институте (национальном исследовательском университете) поадресу: 125993, Москва А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4, зал заседанийУченого Совета МАИ.С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.mai.ru.Автореферат разослан «__» _______________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.02к.т.н., доцентА.М.Петраков2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность. Постоянное усложнение разрабатываемых устройств идатчиков, а так же широкая номенклатура производимых и разрабатываемыхустройств требует либо наличия большого числа линий для созданияопытных образцов или же линий с возможностью быстрой переналадкитехнологической оснастки для производства того или иного устройства.Наличие большого числа производственных линий требует финансовыхзатрат и постоянного обслуживания, однако наличие переналаживаемойоснастки требует затрат времени и высокой квалификации обслуживающегоперсонала, в то же время частая переналадка оснастки влияет на выходпроцента годных устройств.

Совокупность указанных факторов сталаосновой для создания специализированного программного обеспечения дляразработки, а затем и математического моделирования разрабатываемыхустройств.Дальнейшее развитие микроэлектроники, программного обеспечениядля разработки и моделирования привело к появлению комплексовспециализированного программного обеспечения, с помощью которогоосуществляется разработка и моделирование устройств с различнымиобластями применения (от применения в жидких и агрессивных средах доаэрокосмического применения). Последующее развитие микроэлектроники имикроэлектронных устройств, а так же все большее применениемикроэлектронных устройств в повседневной жизни привело к появлениюИнтернета вещей, где происходит взаимодействие большого числаэлектронных систем и датчиков в реальном времени.

Использованиемикроэлектромеханическихсистем(МЭМС)имикрооптоэлектромеханических (МОЭМ) устройств позволяет обеспечитьвзаимодействие между физическими объектами и виртуальной средой.МЭМС и МОЭМ устройства базируются на использовании различныхфизических эффектов: электрических, оптических, механических и др.Экспериментальные исследования таких устройств связаны с большимивременными затратами в связи со сложностью создания экспериментальныхобразцов, что делает разработку алгоритмов моделирования иавтоматизированного проектирования подобных устройств актуальнойзадачей.Разработка методов, позволяющих выполнить междисциплинарноемоделирование МОЭМ устройств в одном программном комплексепозволяет снизить стоимость разработки микросистем за счет уменьшенияматериальных затрат на проведение экспериментальных исследований, атакже повысить процент выхода годных микросистем в серийномпроизводстве.ОднакоприменениесуществующихСАПРдляпроектирования микросистем затруднено из-за больших вычислительныхзатрат, связанных с необходимостью решения систем уравнений большойразмерности.

В связи с этим использование иерархического подхода являетсяактуальным.3Основнойтенденциейразвитияметодовматематическогомоделирования является моделирование сложных систем, сочетающих в себеразличные физические эффекты, оптические, электрические и механические.Подобные методы моделирования являются междисциплинарными инетривиальными задачами.На этапе проектирования сложных микрооптоэлектромеханическихсистем возникает основная проблема – невозможность моделированияоптических, механических и электрических эффектов в рамках одногопрограммного комплекса, а так же невозможность проведенияэкспериментального исследования поведения разрабатываемого устройства врамках одного программного комплекса.На данный момент решением данной проблемы может статьразрабатываемый маршрут автоматизации системного проектированиямикрооптоэлектромеханическихсистем,позволяющийпроводитьмоделирование разрабатываемого устройства вне зависимости от входныхпараметров данного устройства и получать в результате структуруразрабатываемого устройства.Состояние проблемы.

Основной проблемой является разработкамаршрута совместного математического моделирования механической,оптической и электронной подсистем МОЭМ системы, а так же созданиеадаптированных методов моделирования и проектирования МОЭМ систем,позволяющих проводить моделирование разрабатываемых устройств.Итеративный характер маршрутов проектирования МОЭМ системнакладывает дополнительные ограничения по временным характеристикамэтих алгоритмов.В настоящее время над проблемами междисциплинарногомногомасштабного иерархического моделирования и проектированиямикросистем работают многие известные ученые, в том числе С.

Д. Сентурияв работах по технологиям проектирования и производства МЭМС, Н.Гершенфельд в работах по МЭМС и НЭМС, В.А. Шахнов в работах поМЭМС и неразрушающему контролю, А. А. Жуков в работах в областиМЭМС, НЭМС и МОЭМС, А.Д. Коротаев в работах по фундаментальныхосновам МЭМС и нанотехнологий, В.М. Мальков в работах в областимоделирования электромеханических устройств, Г.И.

Джанджгава в работахв области МЭМС и НЭМС, и другие.Цель работы:Маршрутавтоматизациисистемногопроектированиямикрооптоэлектромеханических систем, позволяющий на основе исходныхпараметровполучитьвкачестверезультатаструктурумикрооптоэлектромеханической системы.Решаемые задачи:1.Разработкаалгоритмаматематическогомоделированиямеханической подсистемы МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо с учетом точности воспроизведения механической подсистемы.2.

Разработка математической модели оптической подсистемы для4последующего совместного моделирования МОЭМС на системном уровне.3. Разработка модуля сопряжения программного комплекса ANSYS ипрограммного комплекса Matlab с применением разработанных программныхмодулей с целью проведения совместного моделирования механической,оптической и электронной подсистем в одном маршруте проектированияМОЭМС на примере МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо.4.

Разработка маршрута автоматизации системного проектированияМОЭМС с получением в качестве результата структуры МОЭМС.5. Экспериментальное исследование предложенного маршрутаавтоматизации системного проектирования МОЭМ акселерометра напримерах микрооптоэлектромеханического акселерометра на основеинтерферометра Фабри-Перо и распределенных МОЭМ систем.Методы исследования. Для решения поставленных задач примененычисленные методы, аналитические методы, теория алгоритмов, методыанализа структуры системы для обеспечения требуемых техническиххарактеристик.Научная новизна работы:1.

Разработаны алгоритмы многомасштабного моделирования МОЭМсистем с применением системного подхода и адаптации конечно-элементноймодели механической подсистемы с размерами менее 500 мкм, которыепозволяют снизить время получения структуры МОЭМС.2. Разработан маршрут автоматизации системного проектированияМОЭМС, отличающийся от известных подходов тем, что на основе исходныхпараметров путем проведения раздельного математического моделированиямеханической, оптической и электронной подсистем, а затем совместногомоделирования полученных математических моделей МОЭМ системы.3.

Разработана математическая модель оптической подсистемы,отличающаяся от известных тем, что основана на решении матричныхуравнений, описывающих прохождение светового излучения.4. Установлена зависимость влияния точности воспроизведениямеханической подсистемы МОЭМС на собственные частоты механическойподсистемы и на выходные характеристики устройства на примеремикрооптоэлектромеханического акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо, отличающаяся от известных тем, что учитывает влияниеточности воспроизведения как на этапе математического моделированиямеханической подсистемы, так и на системном уровне.Достоверность полученных научных результатов и рекомендацийдиссертационной работы подтверждена результатами экспериментальныхисследований на примере микрооптоэлектромеханического акселерометра наоснове интерферометра Фабри-Перо:Полученные в ходе работы результаты достоверно демонстрируютэффективностьпредложенногоалгоритмаадаптацииметодовмногомасштабногоиерархическогомоделированиясложныхмикрооптоэлектромеханических систем на этапе принятия проектных5решений.

Данный алгоритм адаптации позволяет повысить эффективностьпроектирования, а так же получить маршрут автоматизированногопроектирования, позволяющий на основе исходных параметровсинтезировать математическую модель механической подсистемы на языкеVHDL-AMS и повысить качество разрабатываемого устройства на этапепроектного решения с помощью итеративного уточнения параметров наэтапе параметрического синтеза.Положения, выносимые на защиту.1.Маршрутавтоматизациисистемногопроектированиямикрооптоэлектромеханических систем для получения структуры МОЭМсистемы.2.Алгоритмы многомасштабного моделирования МОЭМ систем сприменением системного подхода и адаптации конечно-элементной моделимеханической подсистемы с размерами менее 500 мкм, которые позволяютснизить время получения структуры МОЭМС.3.Математическая модель оптической подсистемы, основанная наматричных уравнениях.4.Зависимость собственных частот механической подсистемы ивыходных параметров МОЭМ системы от точности воспроизведениямеханической подсистемы.Практическая ценность работы.