面向MEMS稳健性设计的随机分析理论与实验研究

Heterogeneous integration in the post-Moore era requires more robust MEMS devices. Process variations result in random fluctuations of various device parameters, like device geometry, Young's modulus, prestress etc., which has an uncertain effect on device performance and is aggravated by multi-field coupling in MEMS. Traditional optimal performance design methods based on deterministic parameters hardly guarantee the robustness of devices. It is necessary to provide design references quickly and accurately based on stochastic analysis model under multi-performance index yield constraints. This project takes RF MEMS as the research object, obtains process deviation data by designing test structure, quantifies and eliminates redundant dimensions according to random parameter distribution characteristics, and finally constructs multi-objective robust analysis model under coupled field. The contents of the research are progressing according to above technical routes, focusing on breaking through two scientific problems: High-dimensional quantification of force/electricity characteristic parameters and multi-objective yield analysis under electrostatic-force-electromagnetic field. The multi-objective yield analysis and evaluation of mechanical-electrostatic coupling field is formed in this project, which provides a basis for robust design of MEMS devices under process variations and is of great significance.

后摩尔时代异质集成对MEMS器件的稳健性提出了更高要求。工艺偏差引发众多器件结构参数随机波动，对性能产生不确定性影响，多场耦合使得影响加剧。传统基于确定性参数的最优性能设计理念难以保证器件的稳健性，需要在多性能指标约束条件下，构建随机分析模型，给出设计参考。本项目以RF MEMS为研究对象，通过设计测试结构获取工艺偏差数据，进一步根据随机参数分布特征量化并筛选剔除冗余维度，最后构建耦合场下多目标稳健性分析模型，并进行器件测试验证。重点突破其中两个科学问题：（1）力/电特性参数量化时，模型复杂度随着展开式项数呈指数规律增长的高维问题；（2）机械-静电耦合场下，器件性能评估参数多元化带来的多目标良率分析问题。本项目形成针对机械-静电耦合场的多目标良率分析评估，最终为工艺偏差下MEMS器件的稳健性设计提供依据，具有重要意义。

物联网需要部署大量的无源无线开关和传感设备，无论是射频应用还是力、热、光电领域，MEMS器件都面临工艺加工引起的机械和电学参数偏移的难题。建立快速高精度的MEMS可靠性模型，将提高MEMS鲁棒性设计效率，以较小的仿真代价获得MEMS器件的最坏情况，方便设计人员自主控制良率与尺寸面积的平衡，并减少流片迭代次数所带来的经济成本。.项目针对RF MEMS的测试结构，开展了串联开关悬臂梁结构可靠性测试研究，设计相关测试结构并获得了相关数据；并在此基础上对结构的鲁棒性进行分析，研究了串联、并联开关结构的最坏情况分析与优化算法；利用高鲁棒性的分析算法，设计优化了高功率容量可靠的检测器、和高鲁棒性的集成检测系统，验证了上述优化算法和测试方法的有效性。.目前，项目已经研究获得以下成果：1. 支持横/纵/膜厚/间隙尺寸、杨氏模量/应力等众多参数的量化分析方法；2. 支持回波损耗、带宽等多指标的MEMS器件最坏情况分析算法，该分析算法与标准粒子群算法相比，提速3.5倍及以上，精度提高10％以上；3. 一套基于上述方法的鲁棒性设计流程。以上相关成果在IEEE Sensor J等专业核心期刊和重要会议上发表5篇论文，申请并受理专利6项。指导研究生5人，指导研究生2020年获国家级竞赛——集成电路EDA设计精英挑战赛特等奖，获2021、2022国际时序分析竞赛第三名，获国际会议2022 IEEE ICSICT最佳论文奖。项目期间邀请国内外知名学者报告6次，受邀学术汇报2次。