微电动系统的跨时间尺度仿真方法

场地

本发明涉及微机械系统的跨时尺度仿真方法，该方法属于微机电系统（MEMS）建模和仿真领域。

当前技术

在微电机电系统的系统级仿真中，微机电系统分为多个简单组件，称为组件。每个组件都有多个端口，并且端口用于实现组件之间的信号传输，相应连接端口处的相互连接组件的信号值相等。系统级别的求解器用于数值解决方案，该网络由相互连接的组件组成的网络，也就是说，为了模拟，模拟对象可以是整个微电力系统或整个微电力系统的一部分；在系统级别执行时间域模拟时，需要指定初始步长。步长是指系统模型的数值解决方案时两个相邻解点之间的时间间隔。初始步骤大小是指用于求解前几个点的步长。为了提高模拟效率，在求解前几个点之后的点时，通常在模拟过程中由模拟器动态调整步长。

当在系统级别上进行微机电系统的模拟时，如果成分在时间尺度上变化很大，则会在时域模拟中造成困难。以微力机械陀螺仪为例，它包括一个机械零件，用于敏感角速度和检测机械部分位移的电路零件。机械部分的频率是在KHz的顺序上，电路部分的正弦载波频率在MHz的顺序上，模拟时间由要测量的宏观对象的角速度以1 s的速度确定。如果将整个微电力系统用作模拟对象，以便准确模拟其系统级别的行为，则必须将步长设置为电路部分的正弦载波频率的1/100，即0.01μs的顺序。 1S的仿真时间需要108个模拟步骤，该步骤消耗了计算机资源，例如内存和硬盘空间。

现有的系统级仿真方法并未针对此跨时间问题提出有效的解决方案。具有较大时间尺度差异的组件并未单独处理，但它们都是模拟对象的一部分，并在单个模拟中在同一步骤进行模拟。这样，无法避免由时间尺度差异引起的效率低下的问题。 Darrell Teegarden等。在文献中描述了这种方法Howtomodeland拟议的微胶质镜系统，如何建模和模拟微胶质镜系统，IEEE Spectrum，1998年7月，Qijing在文献建模和模拟中描述了该方法，用于设计悬挂的MEMS，模拟和模拟的MEMS，Carnegie Mellon University，Carnegie Melllon University，Ph.d.d.d.d.d.d.论文，5月21日，2003年。

发明的内容

本发明的目的是披露微电机电系统的跨时间尺度模拟方法，以解决由先前艺术中时间尺度差异引起的效率低下问题。该方法将微电机电系统的系统级模型中的组件划分为高频组和低频组。在第一个模拟中，低频组用作模拟对象，并且时间域仿真结果用于使用更大的步骤进行。在第二个模拟中，低频组仿真结果与高频组组件一起使用作为仿真对象，并且时域模拟的使用较小。当需要低频组中组件的信号值时，在第一个模拟中获得的仿真结果将插值。

本发明采用的技术解决方案包括以下步骤：

步骤1：将微电动系统系统级模型中的组件分为低频组和高频组，以便：低频组不包含高频组，以及高频组对低频组的影响； usually, the mechanical components of the microelectromechanical system, electrical components not affected by carriers, and mechanical-electrical coupling components not affected by carriers belong to low-frequency components, optical components, electrical components affected by carriers, etc. belong to high-frequency components, and mechanical-optical coupling components and mechanical-electrical coupling受载体影响的组件也是高频组件。

步骤2：在系统级行为求解器中，将低频组用作模拟对象，然后以更大的步骤执行时间域模拟。初始步骤是根据准确性要求设置的，以下值的最小值为：最小时间常数的1/10，方波或脉冲信号源的最短上升或降落时间以及正弦信号源周期的1/100。生成的仿真结果是与时间点相对应的信号值。

步骤3：在系统级行为求解器中，时间域模拟结果和步骤2中的高频组用作仿真对象，并使用较小的步骤执行时域模拟。根据精度要求设置初始步骤，并采用以下值的最小值：最小时间常数的1/10，方波或脉冲信号源的最短上升或降落时间以及正弦信号源周期的1/100；当需要低频组中组件的信号值时，步骤2中的时域模拟结果会插值以在所需的时间点处获得信号值；可以通过分段的线性插值，分段的立方样条插值和其他方法来完成插值。

本发明的有益作用是：1）由于高频组对低频组的影响很小，因此可以单独模拟低频组，而无需考虑高频组的影响。以这种方式，减小了模拟量表，并且可以根据低频组的组件设置步长，从而防止低频组步长在一个模拟中以相同的步长模拟以相同的仿真模拟时，低频组的步长不被强制减小； 2）在模拟高频组时，仅使用低频组仿真结果，并使用资源来求解低频组中的组件模型，并减少了模拟量表。

本发明将与随附的图纸和实施示例一起进一步描述。

图纸的附加描述

图1是本发明中模拟方法的流程图

图2是实施方案中加速度计的最高视图

图3是加速度计的机械部分的前视图

图4是在分组之前的系统级模型

图5是加速度计低频组的时域模拟的示意图

图6是使用低频组仿真结果和高频组作为仿真对象的时域模拟的示意图。

在图中，1个锚定的点，2束，3个质量块，4电极，5个锚定点核心模型，6束芯核模型，7个Mass Block核心模型，8芯片运动核心核心核心模型，9端口连接线，10击模结果插值插值模型，11个圆形模型，11个圆形模型，12个capacacitor Core Model。

特定的实施方法

本发明将与微力加速度计结合下面进一步描述。

参考图2，其结构包括锚点1，梁2，质量3和电极4。图中的固体部分表示硅，而空心部分代表金属。当X方向加速时，由于质量3的质量中心不在上下梁2之间的连接上，因此质量3将围绕梁2旋转，并且质量3和两个电极4之间的电容将会改变。通过检测电路检测这种变化可以反映加速度的幅度。使用本发明的技术解决方案的时间域模拟过程包括以下步骤：

步骤1：将加速度计系统级模型中的组件分为低频组和高频组。指的是图4，加速度计的系统级模型由六个组成组成，其中锚核模型5，Beam Core Model 6和Mass Core Model 7对应于锚点1，Beam 2和Mass 3，电路模型11对应于检测电路，以及电容器核心模型12对应于Mass 3和Electerode 3和Electerode 3和Electerode 4和Electerode 4和Electerode 4之间。芯片移动核心模型8用于输入测得的加速度，并采用与其他组件的虚拟连接。加速度计的系统级模型中的组件分为低频组和高频组：锚固核心模型5，梁核心模型6，质量块核心模型7，芯片运动核心模型8用于模拟机械结构对加速度的响应，并且属于低频组合物中的机械组件。其中，正弦加速度是外界的100Hz输入，Z轴周围机械结构的工作模式的共鸣频率为679Hz，该模式分为低频组；电路模型11用于模拟检测电路，因为它包含一个频率为50kHz的载体，它属于高频组件。电容器核心模型12是一种机械电源耦合组件，受电路模型11的影响，也属于高频组件，这些组件分为高频组；这样，低频组不包含高频组件。由于检测电路的频率远非机械结构的谐振频率，因此可以忽略高频组对低频组的影响。

步骤2：在系统级行为求解器中，低频组用作仿真对象。请参阅图5。由于高频组对低频组的影响可以忽略，因此应该将高频组件的电容器核心型号连接到空气中的端口耦合线9。时间域模拟以更大的步长执行，因为只有正弦信号源，因此低频组中最高频率分量的最高频率分量周期的1/100，即工作模式共振频率的1/100根据加速度计的机械结构设置为14.7μs，以及仿真时间为0.05s；生成的仿真结果是与时间点相对应的信号值，即端口耦合线9的信号值对应于时间点，包括质量块核心模型7的信号值。

步骤3：在系统级行为求解器Saber中，时间域模拟结果在步骤2中用作仿真对象。请参阅图6，应将其连接到低频组件质量核心模型7连接的电容器核心模型12连接到仿真结果插值模型10；时间域模拟的步长尺寸较小。由于只有正弦信号源，因此初始步长为高频组最高频率分量的周期的1/100，也就是说，根据电路模型11的周期为0.2μs，模拟时间为0.05s；当需要低频组中质量核心模型7的信号值时，将步骤2中的时域仿真结果插值以在所需的时间点获得信号值；插值是通过分段的线性插值进行的。

结果表明，本发明中使用的方法的仿真效率远高于先前的ART中使用的效率。本发明中使用的方法所需的时间和硬盘空间分别为460.8s和24.1m，而先前ART所需的时间和硬盘空间分别为9466.7s和12270万。前者所需的时间和硬盘空间约为先前艺术的1/21和1/5。