一種新型的基于仿真的MEMS結(jié)構(gòu)進(jìn)化方法

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件具有小型化、低成本、可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，在消費(fèi)電子、汽車電子、航空航天、醫(yī)療器械和工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得其在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著重要作用。隨著科技的進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)EMS器件性能的要求越來(lái)越嚴(yán)格。因此，MEMS相關(guān)研究的主要目標(biāo)是開發(fā)出性能更好的器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院的研究人員提出了一種新型的基于仿真的MEMS結(jié)構(gòu)進(jìn)化方法，用于設(shè)計(jì)具有最大自由度（DOF）的非參數(shù)化MEMS結(jié)構(gòu)。這種新型設(shè)計(jì)方法通過(guò)權(quán)衡MEMS結(jié)構(gòu)每個(gè)部分的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化，并在多次迭代后得到最優(yōu)結(jié)果。該方法被用于優(yōu)化壓阻式壓力傳感器（PPS）的壓敏膜片。有限元法（FEM）仿真表明，與沒有島嶼或正方形島嶼的傳統(tǒng)膜片相比，優(yōu)化后的膜片將外界壓力產(chǎn)生的應(yīng)力提高了10%至16%，非線性降低了57%至77%，這些改進(jìn)證明了該方法的有效性。

優(yōu)化目標(biāo)

壓阻式壓力傳感器是一種利用硅的壓阻特性，通過(guò)產(chǎn)生與輸入壓力成正比的輸出電壓來(lái)測(cè)量外部壓力的傳感器。壓阻式壓力傳感器的兩個(gè)最重要的特性是它的靈敏度和輸出電壓的非線性，這兩個(gè)特性決定了其抗干擾性能和壓力測(cè)量精度。在所有傳感器配置中，壓敏膜片通過(guò)其撓度將外部壓力轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的應(yīng)力，對(duì)這兩個(gè)特性的影響最大，其中恒定壓力下（所有其它參數(shù)保持恒定）膜片表面上的應(yīng)力越大，傳感器的靈敏度越好。同樣，較小的膜片撓度也會(huì)降低傳感器的非線性性能。因此，對(duì)于壓阻式壓力傳感器來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)壓敏膜片是非常重要的。

最簡(jiǎn)單的膜片設(shè)計(jì)具備平面結(jié)構(gòu)，但表面應(yīng)力和最大撓度在很大程度上是相互制約的。要想優(yōu)化表面應(yīng)力，只能減小膜片的厚度，這將使撓度顯著增加。為了克服該限制，研究人員開發(fā)了一種具有背部島嶼結(jié)構(gòu)的特殊膜片。具有特定形狀的背部島嶼可以降低撓度，同時(shí)集中并增加膜片表面的應(yīng)力。因此，開發(fā)具有最小撓度和最大表面應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，即尋找在相同撓度下應(yīng)力最大的理想背部島嶼結(jié)構(gòu)，是膜片設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

優(yōu)化方法

如圖1a所示，使用本項(xiàng)研究工作的進(jìn)化方法優(yōu)化MEMS結(jié)構(gòu)的通用工藝流程包括三個(gè)步驟：建立機(jī)械模型、計(jì)算?PI（性能指數(shù)）矩陣和基于?PI矩陣的結(jié)構(gòu)進(jìn)化。中間需進(jìn)行判斷。如果?PI矩陣滿足要求，則終止優(yōu)化過(guò)程。否則，繼續(xù)進(jìn)化方法，并修改機(jī)械模型以進(jìn)行下一次迭代。

圖1 優(yōu)化方法

圖1b顯示了島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器的機(jī)械模型示意圖，其芯片尺寸為3000μm x 3000μm x 300μm，壓敏膜片被分隔成一個(gè)尺寸為1000μm x 1000μm x 30μm的平面部分和一個(gè)高度為270μm的島嶼部分，其結(jié)構(gòu)不確定。壓阻區(qū)域位于膜片背部邊緣的中央。

研究人員采用COMSOL Multiphysics 5.6（一款多物理場(chǎng)仿真軟件）對(duì)后續(xù)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行有限元法仿真。為了對(duì)稱和簡(jiǎn)化，只有四分之一是在仿真模型中建立的。優(yōu)化過(guò)程從隨機(jī)選擇一個(gè)矩陣開始，并將其計(jì)算性能指標(biāo)記作PIinitial，如圖1c所示。圖1d中的最終結(jié)構(gòu)是逐步優(yōu)化方案的結(jié)果，該方案最大限度地利用了原始ΔPI矩陣。為了進(jìn)一步優(yōu)化，研究人員根據(jù)逐步優(yōu)化方案修改了機(jī)械模型，并按照?qǐng)D1a進(jìn)行了新的仿真。

優(yōu)化過(guò)程

研究人員使用進(jìn)化方法對(duì)三種不同的初始島嶼膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了變化過(guò)程的圖形示例（圖2a）。研究人員對(duì)無(wú)島嶼膜片和方形島嶼膜片進(jìn)行了六次優(yōu)化，對(duì)跨島嶼膜片進(jìn)行了四次優(yōu)化。不同的初始結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了相同的優(yōu)化結(jié)果，表明進(jìn)化方法對(duì)初始條件不敏感，且有很高的概率達(dá)到全面最優(yōu)。圖2b顯示了三種島嶼膜片結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過(guò)程中的最大應(yīng)力和撓度。

圖2 優(yōu)化過(guò)程

圖2c顯示了三種島嶼膜片結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過(guò)程中的PI值，在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中逐漸增加。最終結(jié)構(gòu)的PI值為246，這意味著最優(yōu)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比相同撓度下的平面膜片高了246%。

優(yōu)化結(jié)果

圖3a顯示了最優(yōu)島嶼膜片的橫向到縱向應(yīng)力差的有限元法仿真，與優(yōu)化結(jié)果相比，研究人員為了便于制造，已對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)修改。圖3b顯示了最優(yōu)島嶼膜片的撓度有限元法仿真。

圖3 優(yōu)化結(jié)果

圖4顯示了三種不同的島嶼膜片結(jié)構(gòu)：最優(yōu)島嶼膜片、方形島嶼膜片和無(wú)島嶼膜片。研究人員為便于比較其非線性，調(diào)整了三種膜片平面部分的厚度以確保它們的表面應(yīng)力相似。如圖所示，對(duì)于指定尺寸，最優(yōu)島嶼膜片上的應(yīng)力比方形島嶼膜片上的應(yīng)力大10%，比無(wú)島嶼膜片上的應(yīng)力大16%。然而，最優(yōu)島嶼膜片的應(yīng)力非線性最小，為方形島嶼膜片非線性應(yīng)力的43%，無(wú)島嶼膜片非線性應(yīng)力的23%。顯然，該最優(yōu)島嶼膜片在增加應(yīng)力和降低非線性方面具有顯著效果。

圖4 三種不同島嶼膜片結(jié)構(gòu)的對(duì)比

制造與特征化

接下來(lái)，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)MEMS程序制造具有最優(yōu)島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器。圖5a顯示了制造工藝。

圖5 具有最佳島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器的制作

綜上所述，本文提出了一種用于MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型半自動(dòng)進(jìn)化方法。優(yōu)化過(guò)程包括三個(gè)步驟：建立機(jī)械模型，將待優(yōu)化組件劃分為多個(gè)等尺寸的單元元素；評(píng)估每個(gè)元素的屬性，生成一個(gè)載有每個(gè)元素特性的矩陣；并以此矩陣作為指導(dǎo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)直到達(dá)到其最大性能。在不需要輸入?yún)?shù)值和先驗(yàn)知識(shí)的情況下，研究人員將進(jìn)化方法應(yīng)用于優(yōu)化壓阻式壓力傳感器壓敏膜片的結(jié)構(gòu)。三種不同的初始結(jié)構(gòu)均得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)表明，該方法對(duì)初始條件不敏感，從而成功地避免優(yōu)化求解器收斂到局部最大值。最終結(jié)構(gòu)的仿真和制造設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該方法獲得的最優(yōu)結(jié)構(gòu)可以增大膜片上的應(yīng)力并顯著降低其非線性。這些有利的性能改進(jìn)證明了研究人員提出的進(jìn)化設(shè)計(jì)方法的價(jià)值。

審核編輯：劉清