The Art of MEMS+IC Simulation

MEMS+ 2.0: Enabling System-level Design with Matlab, Simulink and Cadence Virtuoso

The Art of MEMS+IC Simulation

MEMS+ 2.0: Enabling System-level Design with Matlab, Simulink and Cadence Virtuoso

Angela Chao, PhD / 趙月秀 博士Technical Manager / 技術經理

www.apic.com.tw

SEMICON Taiwan, September 2011

Angela Chao, PhD / 趙月秀 博士Technical Manager / 技術經理

www.apic.com.tw

SEMICON Taiwan, September 2011

• MEMS are micro‐ or nano‐scaled devices

• Typically comprise a MEMS sensing or actuation device and integrated electronics

• Disconnect between MEMS and IC design flows leads to long development cycles and high costs

• Minimal design reuse

Introduction

Digital micro-mirror device (DMD)by Texas Instruments

• IC and layout designers require a MEMS component for their IC design environment

MEMS Product Design Requires Collaboration

IC Design and Simulation ToolsMEMS Design and Simulation Tools

• How can an accurate circuit or system model be created considering the complexity of state‐of‐the‐art MEMS devices? 

The Collaboration Challenge

Analog Devices, Inc. All rights reserved

• Reduced Order Modeling yields a system or circuit model starting with a classic FE element model:

Reduced Order Modeling

+ Flexible approach, only limited by what can be modeled with FEA

– Non‐parametric– Hard to include mechanical nonlinearities and contact models

– Time consuming/hard to automate

– Requires in‐depth FEA knowledge

Requests leading MEMS manufacturers for parametric models

• “Every time my MEMS team changes the device geometry, they not onlyhave to re‐extract, but also re‐validate the model, which limits our ability to quickly co‐design with our circuit team”

• “It’s important to give the circuit team a few geometric parameters to vary so they can optimize the system characteristics.”

• “To improve yield of the entire system, we need the entire model to be sensitive to manufacturing variations in the geometry.”

Why parametric models are needed

• Circuit simulator compatible lumped models of non‐electrical components such as plates, beams, electrodes etc: 

+ Parametric, enabling yield, parameter and Monte Carlo studies

+ Can handle most forms of nonlinearities– Flexibility and applicability depends on the quality of the available model writing skills or existing component libraries

Behavioral Modeling Approach

V

kzkz kz kzC

FEFMR

• Our first answer: CoventorWare Architect, a schematic based approach to MEMS+IC/System simulation: 

CoventorWare Architect

• Every schematic model had a rich set of parameters in order to enable a maximum of design flexibility: 

Schematic Model Parameterization

• Schematic creation was often perceived as laborious and non‐intuitive…

• Scene3D brought some relief

3D Model with Scene3D

• Users were often impressed by the simulation speed but had a hard time to appreciate the complexity of Architect simulations…

Simulation Speed

More the 10000 time steps in only 7min on a standard laptop!

…so we added 3D result visualization…

The animation is greatly exaggerated in vertical direction

• With continuing improvements to our component library, ARCHITECT could handle an increasing variety of designs…

• …and Architect was no longer just about MEMS+IC design.  Full MEMS device design could be done in minutes

Architect Examples

DLP Mirrors Ring Gyros

RF SwitchesResonators

Accelerometer

• Schematic based model creation was still unnatural for most mechanical engineers who prefer CAD tools or at least layout editors for design input

• Most IC and system designers prefer MATLAB Simulink, Cadence, Mentor Graphics, Synopsys (rather than SABER!)

• Our most valuable asset, our model librarywas trapped inside SABER …

Remaining Caveats

> 15 Man Years

Saber -Mast

Behavioral Model Libraryin C++

> 15 Years

Our New Approach MEMS+

FEM Damping and Stress Analysis

Algorithm Level Design 

Structural Level Design and PCell Generation

SEMulator3D

Process Emulation

Insert MEMS model in schematic3

Parameterized MEMS Component Library (.lib)

Coventor MEMS+

Assemble design in 3‐D1

Visualize simulations in 3‐D5

Coventor MEMS+for Matlab Simulink

S‐Function Interface

Simulate4

Import MEMS Model 2

Symbol

Parameterized MEMS Component Library (.lib)

Coventor MEMS+

Assemble design in 3‐D1

Coventor MEMS+ for Cadence Virtuoso

Visualize simulations in 3‐D6

Import MEMS Model 2

P‐Cell

Netlist

Symbol

Cadence VirtuosoInsert MEMS model in schematic

3

Place MEMS pCell in layout5

Spectre/UltraSim

Simulate4

MEMS+ PDK and 3D design entry

3D MEMS+model based on Analog Devices ADXL202 design data available to the public

• All foundry relevant data is stored in two databases, which are either provided by an external foundry or by the technology group within the company

Foundry Data PDK

• Material properties can be defined as values, variables or algebraic equations

Variable Assignment

• The Process Editor details the sequence of MEMS fabrication steps

• It holds layer names, thicknesses and sidewall angles

Process Editor

• Each layer is associated to one of the materials from the Material Database

Layer Material Selection

• Variables defined in the Material Database or Process Editor can be exposed to the MEMS designer

Exposing Variables

• The MEMS designer starts with a blank, 3‐D canvas on the Innovator tab 

Innovator

• Exposed variables from the Process Editor or Material Database are automatically imported into Innovator

PDK Variable Import

• MEMS device models are created with a library of parametric component generators for suspensions, plates, combs and electrical pads 

Parametric Component Library

• The MEMS designer picks components from the library to assemble the desired structure

Adding Components

• Each component can be assigned to one or multiple layers of the corresponding process file

Layer Assignment 

• Component parameters can be defined as values, variables or algebraic equations

Component Parameters

• The component tree highlights the component names and the hierarchical structure of the 3‐D device schematic

Component Tree

• The mechanical connector tree and viewing mode highlights which components are linked together

Mechanical Connector View

• The electrical viewing mode highlights electrical connectivity with colors and transparency in the canvas

Electrical Connector View

Only electrical layers are shown as solid

• 3D Innovator designs can be imported into Matlab Simulink’s model editor using the MEMS+ import tool 

Matlab Simulink Model Import

• The MEMS device model in Matlab Simulink features all parameters that were exposed in MEMS+ Innovator

Model Parameters

• The symbol view features all exposed electrical, mechanical and capacitance ports

Exposed Ports

• Exposed electrical ports appear as voltage inputs 

• Exposed mechanical ports appear as force/torque inputs and position/angle variation outputs

• Exposed capacitance ports are pure outputs

Input/Output Ports

VoltageInputs

ReferenceFrame motionInputs

Capacitance Outputs

PositionOutputs

ForceInputs

• The MEMS system designer completes the feedback or post processing circuit using models from the standard library

System Schematic

• The MEMS system designer confirms the device performance runningsimulations in the Matlab/Simulink environment

MEMS Device Simulation

• Additional analysis are accessible from the MEMS+ menu…

Additionally Supported Analysis

• The DC Analysis is a convenient way to create operating points for transient and frequency analysis 

DC Analysis

• The Modal Analysis calculates Eigenmodes and Eigen‐frequencies of the complete system 

Modal Analysis

• The AC Analysis performs frequency sweeps of the complete system

AC Small‐Signal Analysis

• All simulation results can be loaded back into MEMS+ and animated in the 3‐D canvas

Simulation Results

Parameterized MEMS Component Library (.lib)

Coventor MEMS+

Assemble design in 3‐D1

MEMS+ Workflowfor Cadence Virtuoso

Visualize simulations in 3‐D6

Import MEMS Model 2

P‐Cell

Netlist

Symbol

Cadence VirtuosoInsert MEMS model in schematic

3

Place MEMS pCell in layout5

Spectre/UltraSim

Simulate4

• Texas Instrument’s digital light processing [DLP] projection system is build around a digital micro‐mirror device (DMD) on top of a SRAM cell

DLP Mirror Design Example

DLP mirror with memory cell  

1

DLP mirror in MEMS+2

Memory cell schematic 3

Schematic of the combined device and memory cell model

4

Hierarchical symbol of a DLP mirror with memory cell

5

• The position and orientation of the DLP mirror is part of the exposed variables

Complete Device Design

• The 3D Innovator design is imported into the Cadence Library Manager using the MEMS+ import tool 

Cadence Virtuoso Cell Generation

• The MEMS+ import tool automatically creates a parametric  layout and schematic view 

Parametric Cell Views

• The created cell views features all parameters that were exposed in MEMS+

Virtuoso Cell Parameters

• The MEMS designer adds sources to the exposed electrical pins and confirms the device performance running DC, AC and transient simulations

MEMS Device Schematic

• Simulation results can be loaded back into MEMS+ and animated in the 3‐D canvas

MEMS Device Simulation

• The IC designer, meanwhile, creates a schematic of the SRAM memory cell underneath each mirror…

SRAM Memory Cell Design

Bit Line ~Bit Line

Word Line

Bit Line ~Bit Line

Data ~Data Data ~Data

Word Line

Cadence Virtuoso schematic of the memory cell

• The CMOS SRAM cell can in turn be connected to the mirror to assemble the complete pixel cell

Complete Pixel Cell

DLP mirror with memory cell  

1

DLP mirror in MEMS+2

Memory cell schematic 3

Schematic of the combined device and memory cell model

4

Hierarchical symbol of a DLP mirror with memory cell

5

• The pixel cell is replicated to form an array and connected to the driving electronics

Mirror Array Schematic

Hierarchical symbol of a DLP mirror with memory cell

Cadence Virtuoso schematic of memory cell

• The complete mirror array can now be simulated with the Virtuososimulators: Spectre, UltraSim or APS

Mirror Array Simulation

150s in less then 30min real time!

Visualization in MEMS+ Scene3D

• MEMS+ takes full advantage of the Cadence Virtuoso custom IC design environment

Integration

Monte‐Carloand Yield Analysis

ParasiticCapacitanceExtraction

CombinedDRC

SignoffMEMS‐ICSimulation

Parametric MEMS+ Design

MEMS+Design ExamplesMEMS+MEMS+Design ExamplesDesign Examples

Lamé‐Mode Resonator

MEMS+model build with one 4th order rectangular plate and four beams

• Band‐pass filter can be build by combining multiple Lamé resonators:

Lamé‐Mode Filter

• Microphone with perforated back plate using circular and arc shaped flexible plates with pressure loads and electrodes 

Microphone

(Perforation are not shown in the image) Results of a Modal Analysis with Matlab/Simulink

• Mirror with circular pze membrane actuation:

PZE Actuated Mirror

Vertical Mirror displacement [um] as a function of voltage

QuadrilateralPlates with Piezo Layer

Rigid Cylinder(Mirror)

• Disk Gyroscope build with pie and arc shaped flexible plate models with side and top electrodes

Disk Gyro

Vertical Beam

Pie Plates Arc Plates with Side and Top Electrodes

MEMS+ mode shapes compared to a traditional parabolic brick mesh

1.22MHz 7.53MHz7.53MHz1.23MHz

• MEMS+ ring resonator made with straight beams, arc plates and side electrodes

Ring Resonator

• MEMS+ generated accelerometer model with SD force feedback loop in Cadence Spectre:

Accelerometerwith ΣΔ Feedback Loop

The transient simulation with Spectrecompleted in less then 10 seconds !

Acceleration Input

Plate Displacement

Control Signal

• MEMS+  builds on Coventor’s parametric model library which has been proven on real‐world designs…

MEMS+Design Examples

Display Devices

RF Switches

Resonators

Gyros (Angular Rate Sensors)Accelerometers

The End

For sales assistance please contact:

apic@apic.com.tw