Інформаційні технології аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем - Автореферат

Щодо методів для вирішення задач аналізу та синтезу МЕМС на системному рівні, то, в більшості випадків, розробники застосовують методи, моделі та алгоритми, які використовували при розробці ІС і, які володіють низьким рівнем автоматизації. Проведений аналіз проблеми розробки методів та засобів для інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем на основі базових елементів дає змогу стверджувати, що, незважаючи на значну кількість робіт в області автоматизації розроблення МЕМС, залишаються невирішеними задачі підвищення ефективності розвязання проектних процедур та операцій на системному, схемотехнічному та компонентному рівнях, розробки ефективних методів і точних моделей елементів та процесів їх виготовлення, які враховують конструктивно-технологічні фактори і використовуються при автоматизації розвязання задач аналізу та синтезу МЕМС. не приділена належна увага розробці методів, моделей і особливо методів для автоматизації багаторівневого аналізу та синтезу МЕМС, а наявні методи та моделі можна використати лише для розвязання задач аналізу на схемотехнічному рівні, оскільки вони придатні для вузького діапазону зміни вхідних і вихідних параметрів та мають низьку точність і універсальність; Побудовано структурну схему програмно-технічного засобу інформаційних технологій для багаторівневого аналізу та синтезу МЕМС на основі базових елементів та структур, яка включає розроблені методи, моделі та алгоритми і грунтується на таких підсистемах: розвязання оптимізаційних задач (OPTIMMEMS), моделювання технологічних операцій виготовлення МЕМС - ПРОМІС-Т (МЕМС), розвязання задач системного - ПРОМІП-С (МЕМС), функціонального ПРОМІП-Ф (МЕМС) та схемотехнічного ПРОМІП-Сх (МЕМС) і компонентного ПРОМІП-Кн (МЕМС) рівнів і дає змогу підвищити рівень автоматизації процедур аналізу та синтезу МЕМС. Задача прийняття рішення при синтезі МЕМС на системному рівні сформульована з допомогою наступного кортежа , де - множина альтернатив проектного рішення; - множина критеріїв, які визначають можливі зміни вихідних параметрів; - множина моделей, які дають змогу визначити, на основі альтернативи, множину критеріїв; Main - основний критерій, який дає змогу, в ситуації багатокритеріальної задачі, визначити найкращий результат структури системи згідно сформульованого критерію оптимальності.При цьому отримані такі основні теоретичні та практичні результати: Проведено аналіз типів, структур МЕМС та їх елементів за різними критеріями: призначенням систем, призначенням мікродавачів та актюаторів, вихідним контрольованим параметром, згідно фізичних ефектів, які використовуються в процесі роботи мікродавачів, згідно параметрів, для вимірювання яких призначені мікродавачі, згідно вхідної енергії та сил, які використовуються при роботі мікроактюаторів, що дало змогу визначити базові структури та елементи для груп мікродавачів і мікроактюаторів, які відображають основні параметри цілої групи пристроїв і забезпечують зменшення потужності множини альтернативних рішень при подальшому розвязанні процедури синтезу структури на системному рівні інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС. Вдосконалено метод автоматизованого генерування множини альтернативних рішень для розвязання задач структурного синтезу МЕМС, який використовує побудоване морфологічне І-АБО дерево альтернативних рішень для цього класу структур та набір продукційних правил і, на відміну від існуючих, забезпечує автоматичне формування обмеженої множини альтернативних рішень згідно з визначеними розробником правилами і параметрами технічного завдання; Вперше розроблено метод автоматизованої побудови VHDL-AMS моделей базових елементів МЕМС для схемотехнічного рівня інформаційних технологій аналізу та синтезу, що грунтується на методі електричних аналогій, системах звичайних диференціальних рівнянь та рівняннях в частинних похідних і для якого послідовність та кількість використаних диференціальних рівнянь визначається фізичними принципами роботи елемента МЕМС, що дає змогу підвищити рівень автоматизації операції синтезу VHDL-AMS моделей на 20 % у порівнянні з існуючими. Вдосконалено метод автоматизованої побудови моделей базових ємнісних елементів для компонентного рівня інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС, який грунтується на забезпеченні єдиного підхіду до визначення ємності для елементів різного конструктивного виконання з мікронними розмірами на основі рівнянь в частинних похідних та побудованих алгоритмах і дає змогу ситезувати моделі, які забезпечують врахування нелінійних та нестаціонарних процесів, отримання вихідних параметрів з високою точністю і включають засоби контролю похибки вихідних параметрів.

мікроелектромеханічний тривимірний імітаційний

Отримані у дисертації наукові результати у сукупності вирішують науково-прикладну проблему розроблення методів та засобів для інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС на системному, схемотехнічному та компонентному рівнях.

При цьому отримані такі основні теоретичні та практичні результати: Проведено аналіз типів, структур МЕМС та їх елементів за різними критеріями: призначенням систем, призначенням мікродавачів та актюаторів, вихідним контрольованим параметром, згідно фізичних ефектів, які використовуються в процесі роботи мікродавачів, згідно параметрів, для вимірювання яких призначені мікродавачі, згідно вхідної енергії та сил, які використовуються при роботі мікроактюаторів, що дало змогу визначити базові структури та елементи для груп мікродавачів і мікроактюаторів, які відображають основні параметри цілої групи пристроїв і забезпечують зменшення потужності множини альтернативних рішень при подальшому розвязанні процедури синтезу структури на системному рівні інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС.

2. Вдосконалено метод автоматизованого генерування множини альтернативних рішень для розвязання задач структурного синтезу МЕМС, який використовує побудоване морфологічне І-АБО дерево альтернативних рішень для цього класу структур та набір продукційних правил і, на відміну від існуючих, забезпечує автоматичне формування обмеженої множини альтернативних рішень згідно з визначеними розробником правилами і параметрами технічного завдання;

3. Вдосконалено метод зменшення потужності множини альтернативних рішень для розвязання задач структурного синтезу мікроелектромеханічних систем шляхом використання базових елементів та структурних схем МЕМС, набору евристичних правил, врахування особливостей технології виготовлення та розвязання багатокритеріальних оптимізаційних задач.

4. Вперше розроблено метод автоматизованого синтезу функціональних моделей МЕМС, що базується на теорії часових і кольорових мереж Петрі з пріоритетами та забезпечує єдиний підхід до побудови моделей, які дають змогу визначити вихідні параметри обєкта розроблення та дослідити динаміку його роботи.

5. Вперше розроблено метод автоматизованої побудови VHDL-AMS моделей базових елементів МЕМС для схемотехнічного рівня інформаційних технологій аналізу та синтезу, що грунтується на методі електричних аналогій, системах звичайних диференціальних рівнянь та рівняннях в частинних похідних і для якого послідовність та кількість використаних диференціальних рівнянь визначається фізичними принципами роботи елемента МЕМС, що дає змогу підвищити рівень автоматизації операції синтезу VHDL-AMS моделей на 20 % у порівнянні з існуючими.

6. Отримав подальший розвиток метод підвищення ефективності інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем на ієрархічних рівнях на основі розроблених алгоритмів організації операцій аналізу на кожному з ієрархічних рівнів, які дають змогу врахувати різні фізичні процеси функціонування МЕМС та використовують теорію чутливості для цілеспрямованого покращання вихідних параметрів обєкта проектування.

7. Вдосконалено метод автоматизованої побудови моделей базових ємнісних елементів для компонентного рівня інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС, який грунтується на забезпеченні єдиного підхіду до визначення ємності для елементів різного конструктивного виконання з мікронними розмірами на основі рівнянь в частинних похідних та побудованих алгоритмах і дає змогу ситезувати моделі, які забезпечують врахування нелінійних та нестаціонарних процесів, отримання вихідних параметрів з високою точністю і включають засоби контролю похибки вихідних параметрів.

8. Отримав подальший розвиток метод автоматизованої побудови моделей базових елементів пластинчастих конструкцій для компонентного рівня ІТАС МЕМС, який грунтується на теорії тонких пластин та коливних процесів і забезпечує синтез моделей, які потребують в шість разів менших обчислювальних затрат за рахунок меншої кількості вузлових рівнянь, дають змогу врахувати різне конструктивне виконання і виготовлення пружного елемента та контролювати похибку вихідних параметрів.

9. Вперше розроблено інформаційні моделі мікроелектромеханічних систем та альтернативних рішень їх структур, що грунтуються на базових структурах мікроелектромеханічних систем, використовують теорію множин, графів і двозвязні списки для збереження даних про інтегральну структуру та дають змогу ефективно організувати операції модифікації параметрів МЕМС в процесі їх автоматизованого аналізу і синтезу та можливість зміни структурного рішення альтернативи.

10. Вперше розроблено архітектуру інформаційних технологій багаторівневого аналізу та синтезу МЕМС на основі базових елементів та структур мікросистем, яка включає такі складові: БД типових структур МЕМС, БД методів аналізу та синтезу, базу знань, БД типових елементів МЕМС, БД технологій виготовлення МЕМС, чотирирівневу бібліотеку моделей та програмно-технічні засоби для багаторівневого розроблення МЕМС, що дає змогу автоматизувати процес аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем.

11. Отримали подальший розвиток імітаційні тривимірні моделі технологічних операцій виготовлення (дифузії, епітаксії, іонної імплантації та іонного травлення) елементів мікроелектромеханічних систем на основі рівнянь математичної фізики з використанням числових методів, які забезпечують врахування нестаціонарних та нелінійних процесів і, на відміну від існуючих, включають засоби контролю точності вихідних параметрів та дають змогу дослідити вплив параметрів технологічного процесу (температури процесу, типу домішки, часу та ін.) на вхідні (опір матеріалу, товщина структурного шару, ефект заокруглення країв елемента тощо) і вихідні параметри елементів МЕМС.

12. Підтверджено адекватність розроблених математичних моделей елементів МЕМС, які використовують чисельні методи (МСР та МСЕ) в процесі розвязання рівнянь в частинних похідних, і показано залежності похибки вихідних результатів від величини кроку по координаті та часу. Визначено затрати ресурсу персонального компютера та дано оцінку похибки вихідних параметрів для іонної імплантації та іонного травлення при застосуванні методу Монте-Карло в залежності від кількості випробувань, що дає змогу оцінити необхідні затрати ресурсу персонального компютера для досягнення необхідної точності вихідних параметрів та визначити оптимальні лінійні розміри скінченого елемента та крок сітки по координатах при забезпеченні необхідної точності вихідних параметрів математичних моделей базових пристроїв МЕМС і технологічних процесів їх виготовлення.

Теслюк В.М. Моделі та інформаційні технології синтезу мікроелектромеханічних систем / В.М. Теслюк // Монографія. - Львів : Вежа і Ко, 2008. - 192с.

Теслюк В.М. Метод для автоматизації побудови VHDL-AMS моделей елементів МЕМС на схемотехнічному рівні / В.М. Теслюк // Зб. наук. пр. ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України. - К. : 2008. - Вип. 45. - С. 118 - 123.

Теслюк В.М. Побудова множини можливих рішеннь з допомогою І - АБО дерева при вирішенні задач структурного синтезу на системному рівні проектування МЕМС / В.М. Теслюк // Інформаційні технології і системи. - Львів, 2006. - Т. 9, № 1. - C. 101 - 108.

Теслюк В.М. Застосування мереж Петрі при проектуванні МЕМС на системному рівні / В.М. Теслюк // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Компютерні системи проектування. Теорія і практика. - 2006. - № 564. - C. 45 - 53.

Теслюк В.М. Розробка моделей та структурної схеми для автоматизованого проектування МЕМС / В.М. Теслюк // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Радіотехніка та телекомунікації. - 2007. - № 595. - С. 61 - 71.

Теслюк В.М. Методи проектування мікроелектромеханічних систем / В.М. Теслюк // АСУ и приборы автоматики: Всеукр. межвед. научно.-техн. сборник - Харьков : ХТУРЭ, 2006. - Вып. 134. - C. 82 - 89.

Размещено на .ru