Development of the basic capacitive accelerometers models based on the VHDL-AMS language for the circuit level of computer-aided design

Abstract

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.

In the article, the basic VHDL-AMS models of MEMS-based capacitive accelerometers were developed. The models were designed for two basic types of capacitive accelerometers, namely lamellar and counter-pivotal. The developed models allow us to determine the source of electrical capacitive accelerometers depending on the incoming mechanical and structural parameters and were constructed for MEMS CAD at the circuit level. The circuit level of MEMS development requires an analysis of the total integrated device electric circuits. For this purpose, all the MEMS components should be written in the specific software systems, which would be understandable for the software system. Taking into account that MEMS devices operate on different physical principles, certain difficulties may arise during the electrical analysis, that is, the work of mechanical or other devices need to be described with the help of electric parameters. In the general case, the method for building the VHDL-AMS model of the MEMS-based capacitive accelerometer is needed construction of the simplified mechanical model, and then a simplified electrical model. On the basis of the simplified models, the VHDL-AMS model of electromechanical MEMS devices has been developed. In the article, the method of automated synthesis and mathematical models using the VHDL-AMS language, which is based on the method of electrical analogies were described. They use systems of ordinary differential equations and partial differential equations to determine the relationships between input and output parameters. The sequence and quantity of used differential equations are determined by the physical principles of operation of the MEMS element and the number of energy transformations, which allows increasing the level of automation of synthesis operations compared to existing methods. The results of the basic lamellar and counter-pivotal capacitive accelerometers are also shown. This enables to conduct research and analysis of its parameters and investigate the output electric parameters dependence on the input mechanical ones.