Інформаційні технології аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет "Львівська політехніка"

УДК 004.414.2; 004.942; 004.02

05.13.06 - Інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ АНАЛІЗУ ТА СИНТЕЗУ МІКРОЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ

Теслюк Василь Миколайович

Львів - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматизованого проектування Національного університету "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Лобур Михайло Васильович, Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри систем автоматизованого проектування.

Офіційні опоненти:

- член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Грицик Володимир Володимирович, Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури, директор;

- доктор технічних наук, професор Скобцов Юрій Олександрович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри автоматизованих систем управління;

- доктор технічних наук, професор Хаханов Володимир Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, декан факультету комп'ютерної інженерії та управління.

Захист відбудеться "25" лютого 2009 р. о 15.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.14 у Національному університеті "Львівська політехніка", за адресою 79013, Львів, вул. С. Бандери, 28а, ауд. 807, V навч.корп.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою 79013, Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий "23" січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 35.052.14, к.т.н., доц. А.Є. Батюк

Анотації

Теслюк В.М. Інформаційні технології аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний університет "Львівська політехніка". - Львів, 2008.

Наукові результати, отримані в дисертаційній роботі, вирішують науково-прикладну проблему розроблення методів та засобів для інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем на системному, схемотехнічному та компонентному рівнях. Розроблено архітектуру ІТ аналізу та синтезу МЕМС, яка використовує побудований програмно-технічний засіб для багаторівневого розроблення, грунтується на використанні базових структур і елементів та використовує розроблені інформаційні моделі і дає змогу підвищити рівень автоматизації процедур аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем. Розроблено методи для системного рівня ІТ аналізу та синтезу МЕМС, які вирішують задачі структурного та параметричного синтезу на основі побудови дерева альтернативних рішень, базових структур та елементів, набору продукційних правил та теорії кольорових мереж Петрі. Побудовано метод автоматизованого синтезу VHDL-AMS - моделей базових пристроїв МЕМС для схемотехнічного рівня на основі методу електричних аналогій, системах звичайних диференціальних рівнянь та рівняннях в частинних похідних і послідовність та кількість використаних диференціальних рівнянь визначається фізичними принципами роботи елемента МЕМС та кількістю перетворень енергії. Розроблено методи автоматизованого синтезу моделей компонентного рівня на базі рівнянь в частинних похідних з наступним їх розв'язанням з допомогою методу скінчених різниць чи скінчених елементів. Побудовані тривимірні моделі технологічних процесів виготовлення МЕМС, які дають змогу дослідити вплив технологічних параметрів на вихідні параметри інтегрального пристрою. Основні результати праці знайшли промислове впровадження при аналізі та синтезу нових типів МЕМС з покращеними технічними характеристиками.

Ключові слова: інформаційна технологія, мікроелектромеханічні системи, методи аналізу та синтезу, І-АБО-дерево, мережі Петрі, чисельні методи, VHDL-AMS - моделі.

Теслюк В.Н. Информационные технологии анализа и синтеза микроэлектромеханических систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный университет "Львовская политехника". - Львов, 2008.

Результаты диссертационной роботы решают научно-прикладную проблему розработки методов и средств для информационных технологий анализа и синтеза микроэлектромеханических систем на системном, схемотехническом и компонентном уровнях. Разработано архитектуру информационных технологий анализа и синтеза МЭМС, которые исспользуют построенный програмно-технический комплекс для многоуровневой разработки интегральных приборов, базовые структуры и элементы МЭМС, розработанные информационные модели и дают возможность увеличить уровень автоматизации процедур анализа и синтеза при разработке микроэлектромеханических систем. Разработано методы для системного уровня информационных технологий анализа и синтеза МЭМС, которые решают задачи структурного и параметрического синтеза на основании построения дерева альтернативних решений, базовых структур и элементов, множества продукционных правил и теории цветных сетей Петри. В диссертационной работе работано метод автоматизированного синтеза VHDL-AMS - моделей базовых элементов МЭМС для схемотехнического уровня на основании метода электрических аналогий, системах обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных и последовательность и количество исспользуемых диффенциальных уравнений определяется физическими принципами роботи элемента МЭМС и количеством преобразований энергии. Разработаны методы автоматизированного синтеза моделей компонентного уровня на основании уравнений в частных производных с последующим их решением с помощью метода конечных разностей или метода конечных элементов. Разработаны трехмерные имитационные модели технологических процессов изготовления МЭМС, которые дают возможность исследовать влияние технологичесских параметров на выходные параметры интегрального прибора. Основные результаты диссертационной работы внедрены в промышленность и используются при анализе и синтезе новых типов МЭМС с улучшеными техническими характеристиками.

Ключевые слова: информационная технология, микроэлектромеханические системы, методы анализа и синтеза, И-ИЛИ-дерево, сети Петри, численные методы, VHDL-AMS - модели.

Teslyuk V.M. Information technologies of analysis and synthesis of the microelectromechanical systems. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of doctor of technical sciences in information technologies, speciality 05.13.06. - information technologies. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2008.

Scientific results that were received in the dissertation work solve the scientific and applied problem of development of methods and means for information technologies of analysis and synthesis of microelectromechanical systems at the system, schematic and component levels.

Architecture of information technologies of analysis and synthesis of microelectromechanical systems that uses software and hardware means for multilevel development and is based on the use of libraries of MEMS's base structures and elements, knowledge base, database of MEMS manufacturing technologies, 4-leveled library of mathematical models and enables to increase the level of automation of procedures of analysis and synthesis of the microelectromechanical systems is developed. The XML format is used to store data about MEMS's base elements. The information models of the microelectromechanical system and alternative MEMS's structure decision based on the basic structures of the microelectromechanical systems which are using the theory of sets, graphs and double-linked lists for the storage of data about the integral structure and enable to organize effectively the operations of MEMS parameters modification in the process of the automated analysis and synthesis that possibility of change of structural decision of alternative are developed in the process of analysis and synthesis of integral devices.

The increase of automation level of development at the system level of IT analysis and synthesis of MEMS is gained by application of the following developed methods:

· automated generation of alternative decisions set for the tasks of decision of MEMS structural synthesis which use the built morphological AND-OR tree of alternative decisions for this class of structures and set of production rules and in opposite to the existing ones, provides the automatic forming of the limited set of alternative decisions under the set of rules and parameters of technical specification introduced by the developer;

· automated synthesis of functional models of MEMS which is based on the basis of theory of time and coloured Petri nets with priorities and provides the single approach to the construction of models which enable to define the initial parameters of object of development and study its dynamics;

· method of decreasing of power of set of alternative decisions for the decision of tasks of structural synthesis of the microelectromechanical system by the use of base elements and flow diagrams of MEMS, set of heuristic rules, set of technology features of manufacturing and solution of multicriterion optimization task.

The method of automated synthesis of VHDL-AMS-models of MEMS base elements for a schematic level on the basis of method of electric analogies, systems of ordinary differential equations and equations in derivates part and sequence and amount of the utillized differential equations is determined physical principles of work of element of MEMS and amount of transformations of energy is built. Research of developed VHDL-AMS-models is conducted and results of analysis of MEMS elements are presented.

The methods of the automated synthesis of models are developed for the component level of information technologies of analysis and synthesis of microelectromechanical system on the base of partial derivates equations with their next solution with the help of method of finite differences or finite elements which need less calculable expenses due to the less quantity of node equations, enable to take into account different structural implementation of MEMS elements and control the error of initial parameters.

The simulation of three-dimensional models of technological operations of making (diffusions, epitaxy, ionic implantation and ionic etching) of elements of the microelectromechanical systems received subsequent development on the basis of equations of mathematical physics with the use of numerical methods which provide the account of non-stationary and nonlinear processes and, unlike the existing ones, include means to controls exactness of initial parameters and enable to study influence of parameters of technological process (process temperature, type of dopes, time etc) on the input (material resistance, thickness of structural layer, effect of element's rounded edges etc) and output parameters of MEMS elements.

The results of analysis and synthesis of MEMS and their base elements with the use of the developed methods, models and means, on the system, schematic and component levels are presented.

Keywords: information technology, microelectromechanical systems, methods of analysis and synthesis, AND-OR-tree, Petri Nets, numeral methods, VHDL-AMS are models.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Двадцять перше сторіччя характеризується швидкими темпами розвитку мікроелектромеханічних систем (МЕМС), які належать до науково-прикладних областей, розміщених на стику наук. МЕМС об'єднує в собі досягнення механіки, мікроелектроніки, оптики, електротехніки та інших науково-прикладних областей. Інтегральні пристрої цього типу мають ряд переваг у порівнянні з макропристроями: вони надійніші, дешевші, легші; інтеграція наукових областей носить синергетичний характер; їх виготовляють за груповою технологією тощо. Тому, саме ті країни, які володіють технологіями ефективного аналізу, синтезу та виготовлення МЕМС, задають, а в найближчому майбутньому будуть диктувати, правила гри на світовому ринку нових інформаційних технологій (ІТ).

Перші інтегральні пристрої, які включали електронну складову (інтегральні схеми) та електромеханічні пристрої з наступним розміщенням на одному напівпровідниковому кристалі та використовували мікротехнології для виготовлення, були розроблені в США і називали їх мікроелектромеханічними системами. Така назва походить від назви першого додаткового електромеханічного інтегрального пристрою (мікроелектромеханічні системи). Тому, до цього часу, в США пристрої цього типу називають мікроелектромеханічними системами, хоча вони можуть включати інтегральні пристрої, які використовують інші принципи роботи. В Європі та Росії їх називають пристроями мікросистемної техніки або мікросистемами, а в Японії - мікромашинами. Тому, в дисертаційній роботі використана назва першоджерела, тобто, мікроелектромеханічні системи.

Отже, мікроелектромеханічні системи - це інтегровані чи мікропроцесорні системи, які комбінують електричні та механічні компоненти, виготовлені за технологіями, сумісними з технологіями інтегральних схем з розмірами від мікрометрів до декількох міліметрів, а наявність зв'язків між актюаторами, давачами та системою обробки дає змогу відчувати та контролювати навколишнє середовище.

Значний вклад в розвиток цього науково-технічного напрямку внесли такі науковці: Schwarz P., Du H., Gupta K., Bracewell R., Chakrabarti A., Xu C.X., Zha X.F., Лобур М.В. - методології, методи та програмні засоби аналізу та синтезу МЕМС; Wang C., Olsson A., Stemme G., Lee C., Gupta A., Liu С., Лучинін В., Лисенко І., Зімін В., Таіров Ю., Корляков А., Климов Д., Баженов І., Чкалов А.В., Федасюк Д.В. -конструкції елементів МЕМС та їх математичний опис; Bechtold T., Feng L., Rudnyi.E.B., Korvink J.G., Dewey A., Петренко А.І., Ладогубець В.В. - розроблення методів зменшення розмірностей та засобів для побудови макромоделей; Peterson К., Bustillo J., Muller R., Ikuta K., Новосядлий С.П. - технології мікровиготовлення.

Враховуючи те, що МЕМС є наукоємкими пристроями, їх ефективний аналіз та синтез неможливий без використання відповідних інформаційних технологій, програмних засобів, методів, моделей, методологій і алгоритмів для автоматизації їх розроблення.

Наукова проблема розробки методів та засобів для інформаційних технологій аналізу та синтезу (ІТАС) МЕМС полягає в тому, що ці пристрої включають елементи, які функціонують за фізичними принципами різної природи (електростатичні, електромагнітні, термічних, п'єзоелектричні, гідравлічні), тому виникають труднощі з дослідженням і описом взаємного впливу складових мікросистеми та формалізацією функціонування як окремих елементів, так і цілого інтегрального пристрою. Така особливість МЕМС породжує задачу розробки ефективних методів, адекватних та точних моделей елементів саме для багаторівневого автоматизованого аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем на основі базових елементів.

Використання в процесі аналізу та синтезу МЕМС методів, моделей, засобів, алгоритмів і підходів з різних наукових областей вимагає вирішення задачі пов'язаної з забезпеченням єдиної точності вихідних результатів, що обумовлює розробку методів та засобів ІТАС МЕМС з можливістю активного контролю точності вихідних результатів.

Мікронні розміри, тривимірність інтегральних пристроїв та застосування мікротехнологій в процесі створення МЕМС породжують проблему їх виготовлення на одному напівпровідниковому кристалі за єдиною технологією. Відповідно автоматизація аналізу та синтезу МЕМС потребує розробки точних тривимірних моделей технологічних операцій виготовлення мікроелектромеханічних систем для врахування впливу технологічних параметрів на вхідні та вихідні параметри інтегрального пристрою.

Інформаційні технології аналізу та синтезу МЕМС спираються на метод аналогій та теорію коливних процесів, які використовують для формалізації задач аналізу та синтезу на схемотехнічному рівні, рівняння в частинних похідних і чисельні методи - на компонентному. 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 розв'язання 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 розв'язання задач аналізу та синтезу МЕМС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з планами наукових досліджень, які виконувалися і виконуються за госпдоговірною та держбюджетною тематикою кафедри "Системи автоматизованого проектування" Національного університету "Львівська політехніка", а саме:

1. Держбюджетна тема "ДБ/ПРОМІС" - "Розробка системи аналізу фізичних процесів у технологічному обладнанні та напівпровідникових кристалах при виробництві інтегральних схем" (1996 - 1997 рр., № держ. реєстр. 0196U000147). Розроблено одно- та двовимірні математичні моделі технологічних операцій термічної дифузії, відпалу, окислення, епітаксії, іонної імплантації для моделювання технологічного маршруту виготовлення ІС. кристал автоматизація напівпровідниковий мікроелектромеханічний

2. Держбюджетна тема "ДБ/80 РТ" - "Моделювання температурних полів в конструкціях мікроелектронних пристроїв та технологічному обладнанні при їх виготовленні", яка виконувалася в рамках пріоритетного напрямку Міністерства освіти України і входила до координаційного плану "Інформатика і нові інформаційні технології" за програмою № 71 "Методи проектування і створення комп'ютерних систем і технологій" (1998 - 1999 рр., № держ. реєстр. 0198U002386). Розроблено модель розподілу температури в дифузійному реакторі на основі рівнянь в частинних похідних.

3. Госпдоговірна тема Г/Д № 6014 - "Розробка бібліотеки математичних моделей технологічних переходів". Замовник СКТБ "Орізон" АТ "Родон", м. Івано-Франківськ (1995 - 1996 рр., № держ. реєстр. 0194U029528). Розроблено структуру бібліотеки математичних моделей технологічних переходів.

4. Госпдоговірна тема Г/Д № 6024 - "Розробка програмно-методичного комплексу аналізу технологічних переходів". Замовник ВО "Полярон", м. Львів (1995 - 1996 рр., № держ. реєстр. 0194U029522). Розроблено структуру програмно-методичного комплексу та моделі для визначення зміни температури в дифузійному реакторі.

5. Міжнародний Європейський проект REASON - REsearch and Training Action for System On Chip DesigN (#IST-2000-30193), співвиконавцями якого є науковий колектив кафедри "Системи автоматизованого проектування", термін виконання з 2002 р. по 2005 р. В рамках цього проекту здобувач розробив тривимірні моделі технологічних процесів виготовлення інтегральних пристроїв та моделі базових елементів МЕМС.

6. Теслюк В.М. є науковим керівником теми "Автоматизація проектування та моделювання мікроелектромеханічних систем" кафедри "Системи автоматизованого проектування" Національного університету "Львівська політехніка", термін виконання з червня 2007 р. по грудень 2009 р. (№ держ. реєстр. 0107U006228). Розроблено методи та математичні моделі для інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в подальшому розвитку та вдосконаленні методів та засобів для інформаційних технологій розроблення МЕМС на основі розвитку теорії системного аналізу і синтезу структур МЕМС та розробки методів і моделей базових елементів інтегральних мікросистем та процесів їх виготовлення з наступним впровадженням в програмно-технічний засіб інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

1. Провести аналіз класифікацій складових МЕМС, на основі чого визначити базові структури і елементи, які відображають основні характеристики певної групи пристроїв, що створить передумови до підвищення ефективності їх аналізу та синтезу.

2. На основі аналізу предметної області, методів та засобів ІТАС МЕМС розробити методи для автоматизації синтезу моделей і модифікувати існуючі моделі базових елементів МЕМС та розробити нові з подальшим їх використанням для реалізації інструментальних засобів.

3. Вдосконалити існуючі та розробити нові математичні моделі (ММ) технологічних операцій виготовлення мікроелектромеханічних систем, які забезпечують високу точність вихідних результатів, враховують специфіку і особливості аналізу та синтезу МЕМС.

4. Розробити методи і алгоритми, які враховують специфіку та особливості багаторівневого аналізу та синтезу МЕМС і дають змогу підвищити ефективність та продуктивність розроблення на ієрархічних рівнях та інтегрального пристрою в цілому.

5. Дослідити існуючі та розробити нові моделі для оптимізації конструкцій базових елементів і процесів виготовлення мікроелектромеханічних систем.

6. Провести дослідження адекватності розроблених моделей для базових конструкцій елементів і процесів виготовлення МЕМС з врахуванням їх конструктивних та технологічних особливостей.

Об'єкт дослідження ? процес аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем.

Предмет дослідження ? методи та засоби для інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем.

Методи дослідження. Для розв'язання задач структурного та параметричного синтезу на системному рівні розроблення МЕМС використано методи математичного моделювання, теорії мереж Петрі та графів, оптимізації і теорії складних систем. При розробці моделей елементів МЕМС та процесів їх виготовлення використано метод аналогій, теорію чутливості, кореляційний аналіз, рівняння математичної фізики, диференціальне числення та чисельні методи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

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;

· інформаційні моделі мікроелектромеханічних систем та альтернативних рішень їх структур, що грунтуються на базових структурах мікроелектромеханічних систем, використовують теорію множин, графів і двозв'язні 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;

· 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 об'єкта розроблення та дослідити динаміку його роботи;

· 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 у порівнянні з існуючими.

Вдосконалено:

· метод автоматизованого генерування множини альтернативних рішень для розв'язання 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;

· метод зменшення потужності множини альтернативних рішень для розв'язання задач структурного синтезу мікроелектромеханічних систем шляхом використання базових елементів та структурних схем МЕМС, набору евристичних правил, врахування особливостей технології виготовлення та розв'язання багатокритеріальних оптимізаційних задач;

· 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.

Отримали 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 об'єкта проектування;

· метод автоматизованої побудови моделей базових елементів пластинчастих конструкцій для компонентного рівня інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС, який грунтується на теорії тонких пластин та коливних процесів і забезпечує синтез моделей, які потребують менших обчислювальних затрат внаслідок меншої кількості вузлових рівнянь, дають змогу врахувати різне конструктивне виконання і виготовлення пружного елемента та контролювати похибку вихідних параметрів;

· імітаційні тривимірні моделі технологічних операцій виготовлення 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 на параметри елементів МЕМС.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що дає змогу розробити:

1. структурну схему програмно-технічного засобу для автоматизації розв'язання задач аналізу та синтезу МЕМС, який грунтується на блочно-ієрархічному підході до організації обчислень і включає пакети прикладних програм (ППП) для розв'язання задач структурного та параметричного синтезу МЕМС на системному рівні, розв'язання задач аналізу і синтезу з використанням ППП функціонального, схемотехнічного та компонентного рівнів;

2. структурні схеми мікроелектромеханічних систем різного функціонального призначення, які реалізують мікросистеми типу "мікролабораторія-на-кристалі", "розумний пил", "розумних структур" і "розумних поверхонь", що дають змогу зменшити складність задач синтезу на етапі розробки структури МЕМС;

3. інструментальні засоби при програмній реалізації інформаційних технологій аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем;

4. алгоритми та методики побудови моделей базових елементів МЕМС для системного, схемотехнічного та компонентного рівнів, що дає змогу прискорити процес розробки математичного забезпечення ІТАС.

Результати дисертаційної роботи Теслюка В.М. впроваджені в дослідно-промислове виробництво Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту, використані при виконанні наукових робіт по темі "Автоматизація проектування та моделювання мікроелектромеханічних систем" кафедри "Системи автоматизованого проектування" Національного університету "Львівська політехніка" та в лекційних курсах і лабораторних роботах, які проводяться для студентів за спеціальністю "Інформаційні технології проектування", зокрема: "Автоматизація проектування мікроелектронних пристроїв" і "Методи синтезу та оптимізації", що підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: [7, 45] - побудова математичних моделей для системного рівня проектування з використанням мереж Петрі; [8, 17] - розроблення математичних моделей електромагнітного актюатора та давача; [9, 20] - розроблення моделей та методу побудови VHDL-AMS моделей; [13] - розроблення математичної моделі ємнісного акселерометра; [14, 18, 39, 43, 51, 60] - постановка задачі та аналіз результатів; [15, 19, 34, 38, 50, 53, 55] - розроблення математичних моделей та аналіз результатів; [16, 40, 58] - розроблення структури системи, математичного, лінгвістичного, інформаційного та програмного забезпечень; [21] - розроблення математичної моделі ємнісного мікродавача; [22] - розроблення структури бібліотеки математичних моделей; [23] - розроблення структури системи, структури математичного, інформаційного та лінгвістичного забезпечень; [24] - розроблення математичної моделі для обчислення термонапружень та переміщень в конструкції актюатора на базі двошарової інтегральної структури; [33] - розроблення математичної моделі іонного легування та травлення на базі методу Монте-Карло, аналіз результатів; [35, 37] - формалізація задачі прийняття рішень при проектування інтегральних схем; [36] - розробка моделі дифузії з використанням методу скінчених різниць і методу скінчених елементів та аналіз результатів; [25] - розроблення математичних моделей технологічних операцій дифузії, іонного легування, епітаксії та окислення; [44, 56] - розроблення засобів для аналізу та синтезу МЕМС; [59] - метод підвищення ефективності аналізу та синтезу МЕМС на ієрархічних рівнях; [46] - методи для системного рівня розроблення МЕМС; [47, 48, 49] - розроблення тривимірних математичних моделей технологічних операцій виготовлення інтегральних схем та МЕМС, аналіз результатів; [52, 54] - розроблення оптимізаційних моделей та аналіз результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові, теоретичні положення та практичні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях "Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці", CADSM'97 - CADSM'2007 (Львів, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 та 2007р.); міжнародних науково-технічних конференціях "Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовка інженерних кадрів", TCSET'96 - TCSET'2006 (Львів, 1996, 1998, 2000, 2004 та 2006 р.); Second Inernational Conference on Modeling and Simulaion of Microsystems, San Juan Marriot Resort and Stellaris Casino San Juan, Puerto Rico, USA, 1999; XI, XII, XIII, XIV, XV Ukrainian - Polish Conf. "CAD in Machinery Design. Implementation and Educational Problems" (Warszawa, Poland, 2003; Львів, 2004; Jurata, Poland, 2005; Поляна, 2006; Naleczow, Poland, 2007); The 1-st International Conference "Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application" (ACSN-2003), 2003, Lviv; 4 - й міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (MME'03), 2003, Львів; XII Sino - Polish Conference on "CAD in Machinery", Warsaw, Poland, 2003; The 11-th, 12-th International Conference "Mixed Design of Integrated Circuits and Systems", MIXDES'2004 - MIXDES'2005 (Szczecin, Poland, 2004; Krakov, Poland, 2005); International Scientific Conference "Informatics, Mathematical Modelling and Design in the Technics, Controlling and Education" (IMMD'2004), Vladimir, Russia, 2004; V-й международной научно-практической конференции "Вузовская наука, промышленность, международное сотрудничество", Минск, Беларусь, 2004 р.; 49 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium "Synergies Between Information and Automation", Technische Universitat Ilmenau, Aachen, 2004; IV-й международной научно-практической конференции СНД "Дистанционное обучение - образовательная среда XXI века", Минск, Беларусь, 2004; XXV міжнародній науково-практичній конференції "Проблемы электроники", Київ, 2005; міжнародних наукових конференціях "Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій" (ISDMIT'2005, '2007), Євпаторія, Крим, 2005, 2007; Intern. Conf. of Young Scientists "Perspective Technologies and Methods in MEMS Design" (MEMSTECH'2005,'2006,'2007,'2008), Lviv-Polyana, 2005, 2006, 2007, 2008; XI Intern. Conf. "Computer Simulation in Machine Design - COSIM2006", Krynica Zdrуj, Poland, 2006; Intern. Conf. on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2006). - Lviv, 2006; IX Міжнародна науково-технічна конференція "Системний аналіз та інформаційні технології", Київ, 2007; науково-практичній конференції "Сучасні проблеми телекомунікацій - 2007", Львів, 2007; наукових семінарах кафедри "Системи автоматизованого проектування" Національного університету "Львівська політехніка" (1995-2007 рр.).

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в дисертації, опубліковано 135 наукових праць, з-поміж яких 1 монографія, 48 статей відповідають вимозі ВАК України щодо кількості публікацій в одному виданні (з них 17 одноосібних), 20 статей в інших виданнях та 66 матеріалів міжнародних і національних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота включає вступ, сім розділів, висновки, список використаних джерел та додатки. Загальний обсяг дисертації складає 373 сторінки, з них 193 рисунків на 78 стор.; 12 таблиць на 4 стор.; список літератури з 496 найменувань на 53 стор. та 7 додатків на 28 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність наукової проблеми та теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі, наведено використані методи дослідження, сформульовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів і показано зв'язок проблеми з науковими програмами, планами та темами. Наведено дані про впровадження результатів роботи, їх апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів, моделей та програмних засобів інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС.

Результати аналізу існуючих методів, моделей та конструкцій елементів інтегральних МЕМС дають змогу стверджувати, що:

§ основна увага дослідників, на сучасному етапі розвитку МЕМС, спрямована на розробку і дослідження нових конструкцій та їх реалізацію з допомогою наявних мікротехнологій;

§ 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 розв'язання задач аналізу на схемотехнічному рівні, оскільки вони придатні для вузького діапазону зміни вхідних і вихідних параметрів та мають низьку точність і універсальність;

§ практично відсутні нові ефективні методи для ІТ аналізу та синтезу МЕМС на системному рівні.

Тому для підвищення ефективності інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС необхідно розробляти нові і модифікувати існуючі методи з врахуванням специфіки автоматизації багаторівневого аналізу та синтезу МЕМС.

Проведений аналіз існуючих програмно-технічних засобів для ІТАС МЕМС показує, що існуючі засоби не задовольняють в повній мірі потреби проектних організацій, тому необхідно розробляти нові програмні засоби або модифікувати існуючі, які мають враховувати специфіку автоматизації аналізу та синтезу МЕМС.

В другому розділі розроблено архітектуру та основні складові ІТ аналізу та синтезу МЕМС на основі базових структур і елементів, метод підвищення ефективності операцій аналізу та синтезу на кожному з ієрархічних рівнів та інформаційну модель об'єкта розроблення.

Побудована архітектура ІТ аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем призначена для автоматизації аналізу та синтезу МЕМС на основі на основі базових структур і елементів за допомогою використання методів аналізу та синтезу, розробленої бази знань, база даних (БД) типових структур МЕМС, БД типових елементів МЕМС, БД технологій виготовлення МЕМС, чотирирівневої бібліотеки математичних моделей з засобами представлення моделей з допомогою XMML формату, програмно-технічних засобів, який побудований на багаторівневому підході до організації обчислень і групи розробників. Результатом застосування побудованої інформаційної технології є автоматизація розв'язання задач аналізу, оптимізації та синтезу і виготовлення документації на виготовлення ще неіснуючого інтегрального виробу, тобто МЕМС.

В цьому розділі розроблено інформаційну модель об'єкта розроблення (МЕМС), яку описано з допомогою наступної сукупності елементів

,

де

- множина функцій, які реалізує МЕМС; - множина обмежень на вхідні та вихідні параметри МЕМС; - множина елементів, які наявні в МЕМС; - множина зв'язків між елементами структури МЕМС.

Множина обмежень

включає дві підмножини. Перша підмножина



включає обмеження на вхідні параметри,

- на вихідні параметри об'єкта розроблення (k, m - кількість вхідних та вихідних параметрів МЕМС). Кожний елемент для i - го вхідного чи j-го вихідного елемента включає значення обмежень

та .

Множина елементів включає чотири основні підмножини

,

де

- множина давачів, які включає МЕМС;

- множина схем обробки, передачі та збереження інформації;

- множина актюаторів, наявних в МЕМС;

- множина блоків живлення.

Слід зазначити, що кількість підмножин множини може зростати в залежності від деталізації опису та по мірі розвитку науково-прикладної області МЕМС.

Множина зв'язків представлена як підмножина зв'язків кожного елемента

.

Кожний елемент підмножини описує набір вхідних та вихідних зв'язків з іншими елементами структури. При описі зв'язків між елементами МЕМС використано матриці інцидентності та суміжності, а для збереження даних про МЕМС - двозв'язні списки.

Розроблена інформаційна модель МЕМС дає змогу формалізувати об'єкт розроблення та використати її в процесі синтезу та аналізу для збереження інформації про інтегральну структуру по мірі проходження життєвого циклу виробу.

На основі аналізу особливостей розроблення МЕМС на ієрархічних рівнях в дисертаційній роботі вдосконалено метод підвищення ефективності операцій аналізу та синтезу на кожному з ієрархічних рівнів, який використовує теорію чутливості і побудовані алгоритми, що враховують особливості пов'язані з різними фізичними принципами роботи елементів МЕМС. Здійснено аналіз особливостей ІТ технологій аналізу та синтезу МЕМС з використанням блочно-ієрархічного підходу і обґрунтовано, що в цю ІТ доцільно вклювити алгоритмічний аспект окрім функціонально-логічного, конструкторського та технологічного на кожному з ієрархічних рівнів, що обумовлено значним використанням програмних засобів і забезпечує покращання якості та продуктивності розроблення МЕМС.

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: розв'язання оптимізаційних задач (OptimMEMS), моделювання технологічних операцій виготовлення МЕМС - ПроМІС-Т (МЕМС), розв'язання 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.

У третьому розділі розроблено методи для ІТ аналізу і синтезу МЕМС на системному рівні та інформаційну модель альтернативного рішення.

На основі вищепроведеного аналізу класифікацій розроблено нові структурні схеми МЕМС різного функціонального призначення з покращеним параметром швидкодії. Зокрема розроблено структурну схему в якій запропоновано реалізувати частину функцій МЕМС апаратним чином, а частину - програмним шляхом. Подальше покращення параметра швидкодії можливе шляхом використання розподіленої обробки інформації від мікродавачів. Для реалізації даного підходу розроблена структурна схема МЕМС з розподіленою обробкою інформації від мікродавачів. Побудовані структурні схеми МЕМС для реалізації інтегральних пристроїв типу "мікролабораторія-на-кристалі", "розумний пил", "розумних структур" і "розумних поверхонь". Розроблені структурні схеми дають змогу зменшити потужність множини альтернативних рішень на етапі синтезу структури 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.

Кожний -й елемент множини критеріїв є підмножиною і включає мінімальне та максимальне значення критерію, тобто

.

В ролі основного критерію вибору альтернативного рішення використано його зважену адитивну форму, зокрема:

, ,

де - коефіцієнт відносної важливості - го критерію.

Вибір оптимального рішення проводиться шляхом розв'язання наступної оптимізаційної задачі (визначити мінімум цільової функції):

, , ,

де - допустима область зміни вихідних параметрів об'єкта розроблення.

Величина кожного критерію визначається на основі математичної моделі:

,

де

- множина вхідних, внутрішніх та зовнішніх параметрів мікроелектромеханічної системи.

Алгоритм розв'язання задачі прийняття рішення на системному рівні ІТ аналізу та синтезу передбачає послідовне вирішення наступної сукупності задач: формування множини критеріїв, генерація множини альтернативних рішень, побудова множини математичних моделей, побудова основного критерію оптимальності, вибір оптимального рішення, аналіз отриманих результатів.

Розроблено метод для автоматизованої генерації множини альтернативних рішень при розв'язанні задач структурного синтезу на системному рівні розроблення МЕМС, який грунтується на безконтурному І-АБО орграфі, що побудований на основі І-АБО дерева альтернативних рішень та дає змогу сформувати множину альтернативних рішень згідно визначених розробником правил, наявних мікротехнологій і параметрів ТЗ.

Розроблено інформаційну модель для збереження даних про множину та окремо взяте альтернативне рішення. Позначимо множину можливих рішень синтезу структури МЕМС як , а кожне альтернативне рішення позначимо , де . Тоді множина можливих рішень має наступний вигляд, а саме: , де потужність цієї множини рівна n. Кожна альтернатива включає таку інформацію: код

типу МЕМС, кількість підсистем та їх коди. Потім згідно зазначених кодів підсистем записується кількість пристроїв в кожній підсистемі та їх коди. У випадку наявності в альтернативі й структурі елементів четвертого рівня, то після коду пристрою записується кількість елементів, а після цього записуються коди використаних елементів. Для опису такої структури використано нормальну форму Бекуса-Наура, а при збереженні цієї структури даних на персональному комп'ютері використано двозв'язні списки.

Побудована інформаційна модель дає змогу ефективно організувати операції обробки альтернатив у масиві в процесі вирішення проектних операцій на системному рівні ІТ аналізу та синтезу МЕМС.

Для підвищення ефективності розв'язання процедур синтезу на системному рівні розроблено метод зменшення потужності множини альтернативних рішень, який грунтується на особливостях аналізу та синтезу МЕМС, базових елементах та структурах МЕМС, технологіях виготовлення, параметрах технічного завдання і дає змогу отримати оптимальне рішення чи групу перспективних рішень згідно сформульованого критерію оптимальності після розв'язання багатокритеріальної оптимізаційної задачі.

Цей метод передбачає виконання наступної послідовності кроків:

§ визначення та використання базових елементів та структур МЕМС;

§ формування множини альтернативних рішень на основі розробленого І-АБО дерева альтернатив та правил, які забезпечують відсіювання неперспективних рішень на даному кроці;

§ відкидання альтернативних рішень, які обумовлені специфікою мікротехнології виготовлення;

§ визначення оптимальної конструкції шляхом розв'язання багатокритеріальної оптимізаційної задачі з критерієм оптимальності на основі параметрів технічного завдання.

Розроблено метод автоматизованого синтезу функціональних моделей МЕМС, який базується на основі інформаційної моделі альтернативного рішення та теорії часових і кольорових мереж Петрі з пріоритетами та забезпечує єдиний підхід до побудови моделей, які дають змогу визначити вихідні параметри об'єкта розроблення та дослідити динаміку його роботи.

В залежності від вирішуваної задачі використовуються кольорова, часова чи мережа Петрі з пріоритетами, а у випадку складної структури МЕМС використовуються пріоритетні кольорові мережі Петрі з часовим механізмом.

Модель на основі простої мережі Петрі описується з допомогою наступних співвідношень

,

де

- множина позицій (стани);

- множина переходів; - множина дуг, яка включає дві підмножини вхідних та вихідних дуг по відношенню до переходу; - множина, яка задає початкове маркування мережі Петрі. Прості мережі Петрі використані для аналізу динаміки роботи МЕМС.

Модель системного рівня для аналізу МЕМС використовує теорію часових мереж Петрі, що є ускладнення простої мережі і пов'язано з додаванням до кожного з переходів інформації про нижню та верхню часові межі. За допомогою такої мережі можна визначити швидкодію мікроелектромеханічної системи. В цьому випадку маємо часову мережу, яку математично описано з допомогою наступного виразу

,

де - функції, що ставляться у відповідність до кожного з переходів і визначають нижню () та верхню () часові межі, які задовольняють наступні умови . Модель, яка враховує пріоритети, включає множину пріоритетів для кожного з переходів має наступний вигляд:

,

де

- множина пріоритетів, а - величина пріоритету для першого переходу.

Для розширення можливостей ІТ аналізу МЕМС побудовано використовувати моделі на основі кольорових мереж Петрі, які передбачають врахування змінних різного типу та умов спрацювання переходів. Математична модель МЕМС на основі кольорової мережі Петрі має наступний вигляд

,

де - множина типів; - множина, яка відображає доступну множину типів у позиціях мережі; - множина типів маркерів, що збуджують перехід та типи маркерів, які будуть згенеровані переходом; - множина умов збудження переходів.

В четвертому розділі розроблено метод автоматизованого синтезу VHDL-AMS моделей та моделі базових мікродавачів і мікроактюаторів для ІТ аналізу та синтезу МЕМС на схемотехнічному рівні.

Розроблено нові та модифіковано існуючі моделі для ІТ аналізу та синтезу на схемотехнічному рівні базових пристроїв МЕМС на основі звичайних диференціальних рівнянь і рівняння в частинних похідних (РЧП), що описують коливні процеси, які присутні в фізичних процесах різної природи. Зокрема, в роботі побудовано такі математичні моделі для схемотехнічного рівня розроблення МЕМС: електростатичного та електромагнітного резонаторів, ємнісних акселерометрів пластинчастої та зустрічно-стрижневої конструкцій, термомеханічного, термопневматичного, п'єзоелектричного та піроелектричного актюаторів.

Для прикладу, роботу акселерометра ємнісного типу можна звести до аналізу спрощеної механічної моделі. В запропонованій моделі - маса; - прикладена сила; - коефіцієнт пружності пружини; - коефіцієнт демпферування.

Тоді математична модель акселерометра ємнісного типу для інформаційної технології аналізу та синтезу на схемотехнічному рівні включає диференціальне рівняння другого порядку

,

,

,

, (1)

де - зміщення; - механічна сила; - сила, обумовлена електричним полем; - електрична ємність; - площа пластин; - прикладена напруга; - початкова відстань між пластинами конденсатора; , - відносна діелектрична проникність середовища між пластинами конденсатора та діелектрична стала.

Для аналізу роботи електростатичного резонатора на схемотехнічному рівні використано спрощену модель, яка в двовимірному випадку представляється з допомогою наступної системи диференціальних рівнянь

,

,

де та - складові електростатичної схеми, які згенеровані гребінчастими елементами резонатора; - ефективні маси; - коефіцієнти демпферування; - коефіцієнти пружності.

В роботі запропоновано роботу більшості існуючих та нових елементів МЕМС на схемотехнічному рівні звести до аналізу коливальної системи, що дає змогу автоматизувати процес побудови ММ цього рівня шляхом розробки відповідної операції синтезу ММ.

Оскільки елементи МЕМС функціонують за різними фізичними принципами, то при електричному аналізі виникають певні труднощі, які полягають в тому, що роботу механічних, гідравлічних, п'єзоелектричних, термічних, електромагнітних та інших пристроїв необхідно описати з допомогою електричних параметрів для подальшого комплексного аналізу роботи інтегрального пристрою.

Зокрема, використання методу аналогій дає змогу побудувати еквівалентні електричні схеми МЕМС. Перевага представлення у формі спрощеної електричної схеми полягає в тому, що, використовуючи існуючі програмні засоби для аналізу електричних кіл, можна провести аналіз роботи усієї мікросистеми.