РОЗРОБЛЕННЯ БАЗОВИХ МОДЕЛЕЙ ЄМНІСНИХ АКСЕЛЕРОМЕТРІВ МОВОЮ VHDL-AMS ДЛЯ СХЕМОТЕХНІЧНОГО РІВНЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

https://doi.org/10.23939/ujit2020.02.015
Надіслано: Червень 22, 2020
Прийнято: Жовтень 25, 2020
1
Національний університет «Львівська політехніка», кафедра автоматизованих систем управління
2
Національний університет "Львівська політехніка", кафедра систем автоматизованого проектування
3
Національний університет "Львівська політехніка", кафедра автоматизованих систем управління

Розроблено базові моделі ємнісних МЕМС акселерометрів з використанням мови VHDL-AMS для схемотехнічного рівня автоматизованого проектування. Базові моделі розроблені для двох базових типів ємнісних акселерометрів: пластинчастої та гребінчастої інтегральних конструкцій. Розроблені моделі дають змогу визначати параметри вихідної напруги електричних ємнісних акселерометрів залежно від вхідних механічних та конструктивних параметрів та можуть бути використані для автоматизованого проектування МЕМС на схемотехнічному рівні. Окрім цього, наведено результати дослідження базових конструкцій пластинчастих та гребінчастих ємнісних акселерометрів. Описано розроблений метод автоматизованого проектування базових елементів МЕМС VHDL-AMS моделей для схемотехнічного рівня проектування, який ґрунтується на методі електричних аналогій та використовує системи звичайних диференціальних рівнянь і рівнянь у часткових похідних. Послідовність та кількість використаних диференціальних рівнянь визначається фізичними принципами функціонування елемента МЕМС та кількістю перетворень енергії, що дає змогу підвищити рівень автоматизації операцій синтезу порівняно з наявними методами. Синтезовано базова VHDL-AMS модель для інтегрального ємнісного акселерометра пластинчастої конструкції, яка дає змогу провести дослідження залежності вихідних параметрів від вхідних та провести аналіз налаштувань вихідних параметрів МЕМС елементів даного типу. Також побудовано базову VHDL-AMS модель для інтегрального ємнісного акселерометра гребінчастої конструкції, що дає змогу проводити дослідження в процесі автоматизованого проектування та провести аналіз його вихідних електричних параметрів від вхідних механічних.

[1]     Ashenden, Peter J., & Peterson, Gregory D. (2003). The System Designer's Guide to VHDL-AMS: Analog, Mixed-signal, and Mixed-technology Modeling. Morgan Kaufmann, 880 p.

[2]     Ashenden, Peter J., Peterson, Gregory D., & Teegarden, Darrell A. (2011). The System Designer's Guide to VHDL-AMS: Analog, Mixed-Signal, and Mixed-Technology Mo­deling. Morgan Kaufmann, 880 p.

[3]     Bochobza-Degani, O., Seter, D. J., Socher, E., et al. (1999). Comparative study of novel micromachined accelerometers employing MIDOS. Micro Electro Mechanical Systems: Proceedings of the 12-th Annual Intern. Conf. Orlando, Florida, USA, pp. 66–71.

[4]     Holovatyy, A., & Teslyuk, V. (2015). Verilog-AMS model of mechanical component of integrated angular velocity micro­sensor for schematic design level. 16th International Confe­rence on Computational Problems of Electrical Engineering, (CPEE'2015), Lviv, 2‑5 Sept. 2015,  pp. 43–46.

[5]     Hwang, Jeongki, et al. (2017). Design and fabrication of a sili­con-based MEMS acceleration switch working lower than 10 g. Journal of Micromechanics and Microengineering, 27(6), 73–79.

[6]     Ivailo, M. (2016). Pandiev Behavioral modeling of CMOS digital potentiometers using VHDL-AMS. Power Electronics and Motion Control Conference, (PEMC'2016), IEEE International 25-28 Sept. 2016, 940–945.

[7]     James, J. (2005). Allen Micro Electro Mechanical System Design. 1st edition: CRC Press, 496 p.

[8]     Kazmierski, T. (1998). A formal description of VHDL-AMS analogue systems. Design, Automation, and Test in Europe: Proceedings of the conf.,  (IEEE'1998) Computer Society  Washington, DC, USA, 916–920.

[9]     Kruglick, J. J., Cohen, A., & Bang, C. (2006). EFAB Technology and Applications. MEMS: Design and Fabri­cation [Mohamed Gad – el – Hak, ed.]. Edition second (2nd). Boca Raton: CRC Press, 664 p.

[10]  Li, Muhua, et al. (2017). Design and fabrication of a low insertion loss capacitive RF MEMS switch with novel micro-structures for actuation. Solid-State Electronics, 127, 32–37.

[11]  Marc, J. (2002). Madou Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization. Edition second (2nd). CRC Press, 752 p.

[12]  Papanuskas, J. (1997). IEEE VHDL 1076.1: mixed-signal beha­vioral modeling and verificationin view of automotive appli­cations. VHDL International Usersapos: Proc. Forum, 252–257.

[13]  Partridge, A., Reynolds, J. K., & Chui, B. W., et al. (2000). A High – performance planar piezoresistive accelerometer. Journal of microelectromechanical systems, 9(1), 58–66.

[14]  Patent 88405 Ukraina, MPK (2009) G01P 15/125. Prystrii dlia vymiriuvannia pryskorennia. Zahariuka R.V., Ivantsiva R.-A. D., Lobura M.V., ziavnyk i vlasnyk Lьvivsьkyi nau­ko­vo-doslidnyi radiotekhnichnyi instytut, Natsionalьnyi Univer­sy­tet "Lьvivsьka politekhnika". № a 2008 03858; zaiavka 27.03.08; opubl. 12.10.09, Biul. № 19. [In Ukrainian].

[15]  Pêcheux, F., Lallement, C., & Vachoux, A. (2005). VHDL-AMS and Verilog-AMS as alternative hardware description languages for efficient modeling of multidiscipline systems. In: IEEE Trans. on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 24(2), 204-225.

[16]  Saha, I., Islam, R., & Kanakaraju, K., et al. (1999). Silicon micro­machined accelerometers for space inertial systems. SPIE: Proceedings of the Intern. Conf. Bellingham, 3903, 162–170.

[17]  Teslyuk, V., Pereyma, M., Denysyuk, P., & Chimich, I. (2006). Computer-aided system for MEMS design "ProMIP". In: International Conf. Perspective Technologies and Methods in MEMS Design, Lviv-Polyana, Ukraine, pp. 49–52.

[18]  Teslyuk, V., Tariq (Moh'o Taisir) Ali AlOmari, Denysyuk, P., & Kernytskyy, A. (2008). The Method For Automated Design Of Vhdl-Ams Models Of Mems Elements On Circuit Level. Young Scientists (MEMSTECH'2008): Proceedings of the IV-th Intern. Conf., Lviv-Polyana, pp. 141–142.

[19]  Wang Xiaoyu, Yu Linghui, Xie Song. (2011). Research on micro-electro-mechanical system computer aided design. Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology (EMEIT'2011). International Conference on 12-14 Aug. 2011, pp. 31–37.

[20]  Xiaochuan Tang, Yufeng Zhang, Weiping Chen, Xiaowei Liu. (2008). A system-level simulation of force-balance MEMS accelerometers by VHDL_AMS. Proceedings SPIE 7130, Fourth International Symposium on Precision Mechanical Measurements, 71300R, December 31, 2008. https://doi.org/10.1117/12.819564

[21]  Zhao, C., & Kazmierski, T. (2007). An efficient and accurate MEMS Accelerometer Model with sense finger dynamics for mixed-texnology control loops. In: IEEE Behavioral Modeling and Simulation Conference (BMAS 2007), Sep. 2007, San Jose, California, USA, pp. 143–147.

[22]  Zhao, C., & Kazmierski, T. (2009). Analysis of Sense Finger Dynamics for Accurate Sigma-Delta MEMS Accelerometer Modelling in VHDL-AMS. In: 2009 Forum on Specification & Design Languages Conference (FDL 2009), Sep. 2009, Sophia Antipolis, France. Retrieved from: https://ieeexplore.­ieee.org/document/5404039.