Исследование и разработка программного обеспечения маршрута автоматизации разработки конструкций и проектирования МЭМС с использованием, открытых САПР с созданием библиотеки конструктивных элементов, шифр «Автоматизация-МЭМС»

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) в мире составляют основу систем сенсорики мобильной, потребительской, автомобильной, промышленной, бортовой аппаратуры гражданского и специального назначения. Физические размеры устройств в МЭМС варьируются от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Они могут представлять собой относительно простые структуры, практически не содержащие движущихся элементов, а могут представлять собой очень сложные электромеханические системы с большим числом подвижных элементов, объединенных на одном кремниевом кристалле. Отличительной чертой всех МЭМС является то, что, по крайней мере, один элемент в них подвижен. Разработчики отдают предпочтение МЭМС-продукции за миниатюрность, малое энергопотребление, надежность и высокие технические характеристики. Таким образом, разработка новых мобильных устройств и сенсорики не обходится без разработки МЭМС устройств с более совершенными характеристиками. Российскому рынку МЭМС до недавнего времени были доступны любые современные МЭМС различного назначения и класса точности. В связи с введением санкций доступность МЭМС-устройств на Российском рынке существенно снизилась в особенности это коснулось МЭМС специального назначения повышенной точности. В МЭМС существует очень тесная интеграция процессов проектирования и изготовления, технологический процесс изготовления определяет конструктивные особенности механической части МЭМС. Технологии изготовления устройств МЭМС базируются на технологии изготовления интегральных схем, с адаптацией для формирования трехмерных структур либо в кремниевых пластинах при помощи плазмохимического травления (BOSCH-процесс), либо последовательное осаждение на подложку структурных кремниевых слоёв. Процесс изготовления МЭМС состоит из множества различных этапов, которые являются трудозатратными и требуют длительного времени на выполнение. Следовательно, при проектировании МЭМС необходим высокий уровень знаний технологии их производства. В тоже время, научно-технический прогресс в области разработки микромеханических устройств приводит к их постоянному усложнению. Успешная разработка устройств МЭМС требует значительного времени и вложений на создание опытного образца. Чтобы сократить эти затраты, необходимо осуществлять физическое и имитационное моделирование, поэтому разработчики МЭМС должны владеть соответствующим инструментарием, необходимым для точного прогнозирования поведения МЭМС и датчиков на их основе. В связи с этим для реализации сложных маршрутов проектирования МЭМС большое значение приобретают современные методы проектирования с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). Данные САПР позволяют выполнить построение геометрической модели разрабатываемого микромеханического сенсора, провести его полный анализ и выполнить необходимые оптимизационные мероприятия для соответствия требуемым характеристикам и параметрам. Наиболее продвинутыми в части возможностей проектирования новых МЭМС, являются САПР зарубежных производителей. Среди зарубежных САПР есть как специализированные САПР для проектирования МЭМС (CoventorWare, IntelliSense). Эти специализированные САПР способны поддерживать моделирование сложных физических явлений, которые наблюдаются в процессе создания и эксплуатации МЭМС, такие как механические, электрические, пьезоэлектрические, пьезорезистивные, а также эффекты, возникающие на стадии упаковки чипа. В этих САПР реализована виртуальная среда моделирования технологического процесса изготовления, полностью воспроизводящая возможности реальной технологической лаборатории по производству МЭМС. Также существуют зарубежные САПР применяемые для разработки и моделирования изделий и устройств различного назначения (ANSYS, COMSOL, SolidWorks и т.д.). Эти программы обеспечивают такие этапы моделирования, как определение геометрических размеров, описание физики процесса, визуализацию и так далее. Также дают возможность моделировать всё то, что представимо в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных. То есть позволяет моделировать механику конструкции, электротехнику, эффекты, связанные на микроуровне, а также оптические, частотные процессы, физические явления в электромеханике, пьезоэффекты и явление теплопередачи. Но при использовании неспециализированных САПР для разработки МЭМС невозможно до конца промоделировать влияние технологических процессов на конструкцию МЭМС, ввиду отсутствия модулей для моделирования технологического процесса изготовления. Тем не менее данные САПР нашли широкое применение при проектировании МЭМС ввиду их более низкой стоимости и за счёт этого большей распространённости в мире по сравнению со специализированными САПР для разработки МЭМС. Но, в связи с наложенными санкциями, зарубежные разработчики САПР, которые используются для проведения полного цикла исследований, начиная от разработки конструкции и заканчивая технологической подготовкой производства, либо ограничили доступ к своим информационным ресурсам и не позволяют приобретать обновления для уже закупленных САПР, либо полностью ушли с Российского рынка и запретили лицензионное использование их программных продуктов. В тоже время, в России есть собственные САПР (T-Flex, КОМПАС, NanoCAD), которые внедрены на множестве как Российских, так и зарубежных предприятий, но их возможностей недостаточно для полноценной разработки МЭМС в едином интерфейсе. Отсутствуют подсистемы, которые необходимы для технологической подготовки производства (электронные фотошаблоны, конструкторско-технологическая документация). Исходя из вышесказанного, специализированная САПР для разработки МЭМС должна содержать следующие подсистемы: 1) Подсистема автоматизированного проектирования МЭМС. Подсистема построена на основе разработанных математических моделей компонентов МЭМС гироскопов и акселерометров (упругие подвесы, актюаторы, массы и рамки, материалы) с учётом температурных возмущающих воздействий и технологических погрешностей. Данная подсистема позволит в автоматизированном режиме проектировать механическую часть МЭМС гироскопов и акселерометров с геометрическими размерами компонентов, полученными на основе математических моделей с учётом технологии глубокого реактивно-ионного травления с использованием BOSCH-процесса используемого для формирования структуры. 2) Подсистема конечно-элементного анализа МЭМС. Подсистема необходима для более точной настройки механической части разрабатываемой конструкции. Подсистема конечно-элементного анализа для конструкции, разработанной в подсистеме автоматизированного проектирования, позволит: определять собственные частоты и формы колебаний; определять влияние технологических погрешностей и температурных возмущающих воздействий на характеристики МЭМС; проводить электростатический анализ актюаторов для точной настройки их работы; проводить статический анализ для определения влияния ускорений и угловых скоростей. 3) Подсистема автоматизированного выпуска конструкторско-технологической документации. Подсистема будет осуществлять подготовку и выпуск электронных фотошаблонов для технологического процесса литографии, а также необходимые чертежи и спецификации по модели, созданные в подсистеме автоматизированного проектирования МЭМС. 4) Пользовательская документация для разработанного прототипа САПР «Автоматизация-МЭМС». Пользовательская документация для разработанного прототипа САПР «Автоматизация-МЭМС» предоставляет всю необходимую информацию, которая содержит инструктивные и пояснительные материалы для использования САПР. Существующие в России производственные линии микросхем с проектными нормами до 180 нм позволяют интегрировать технологический процесс изготовления МЭМС в серийные изделия с полной локализацией производства на территории РФ. Таким образом, разработка и внедрение на предприятиях отечественной специализированной САПР для разработки МЭМС является актуальной задачей, которую необходимо решить в ближайшие годы, которая в том числе является неотъемлемой частью технологического суверенитета Российской Федерации в области разработки и изготовления современных МЭМС различного назначения.