Теслюк Василь Миколайович. Інформаційні технології аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем

brief description

Теслюк Василь Миколайович. Інформаційні технології аналізу та синтезу мікроелектромеханічних систем : Дис... д-ра наук: 05.13.06 - 2009.

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.

Отримані у дисертації наукові результати у сукупності вирішують науково-прикладну проблему розроблення методів та засобів для інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС на системному, схемотехнічному та компонентному рівнях.
При цьому отримані такі основні теоретичні та практичні результати:

Проведено аналіз типів, структур МЕМС та їх елементів за різними критеріями: призначенням систем, призначенням мікродавачів та актюаторів, вихідним контрольованим параметром, згідно фізичних ефектів, які використовуються в процесі роботи мікродавачів, згідно параметрів, для вимірювання яких призначені мікродавачі, згідно вхідної енергії та сил, які використовуються при роботі мікроактюаторів, що дало змогу визначити базові структури та елементи для груп мікродавачів і мікроактюаторів, які відображають основні параметри цілої групи пристроїв і забезпечують зменшення потужності множини альтернативних рішень при подальшому розв’язанні процедури синтезу структури на системному рівні інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС.

2. 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;
3. Вдосконалено 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.
4. Вперше розроблено 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.
5. Вперше розроблено 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 на 20 % у порівнянні з існуючими.
6. Отримав 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.
7. Вдосконалено 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.
8. Отримав подальший розвиток метод автоматизованої побудови моделей базових елементів пластинчастих конструкцій для компонентного рівня ІТАС МЕМС, який грунтується на теорії тонких пластин та коливних процесів і забезпечує синтез моделей, які потребують в шість разів менших обчислювальних затрат за рахунок меншої кількості вузлових рівнянь, дають змогу врахувати різне конструктивне виконання і виготовлення пружного елемента та контролювати похибку вихідних параметрів.
9. Вперше розроблено 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.
10. 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.
11. Отримали подальший розвиток імітаційні тривимірні моделі технологічних операцій виготовлення (дифузії, епітаксії, іонної імплантації та іонного травлення)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 (температури процесу, типу домішки, часу та ін.)на вхідні (опір матеріалу, товщина структурного шару, ефект заокруглення країв елемента тощо) і вихідні параметри елементів МЕМС.
12. Підтверджено адекватність розроблених математичних моделей елементів МЕМС, які використовують чисельні методи (МСР та МСЕ) в процесі розв’язання рівнянь в частинних похідних, і показано залежності похибки вихідних результатів від величини кроку по координаті та часу. Визначено затрати ресурсу персонального комп’ютера та дано оцінку похибки вихідних параметрів для іонної імплантації та іонного травлення при застосуванні методу Монте-Карло в залежності від кількості випробувань, що дає змогу оцінити необхідні затрати ресурсу персонального комп’ютера для досягнення необхідної точності вихідних параметрів та визначити оптимальні лінійні розміри скінченого елемента та крок сітки по координатах при забезпеченні необхідної точності вихідних параметрів математичних моделей базових пристроїв МЕМС і технологічних процесів їх виготовлення.