ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-3-508-519ntv-474Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONПроектирование микроэлектромеханического логического элемента на основе гребенчатого резонатораDesign of the microelectromechanical logic element based on a comb-drive resonatorhttps://orcid.org/0009-0008-3578-0963СоловьевА. А.SolovevA. A.

Соловьев Александр Анатольевич — старший преподаватель

Москва, 119454

Alexander A. Solovev — Senior Lecturer

Moscow, 119454

solovev_aa@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6264-1231ПевцовЕ. Ф.PevtsovE. F.

Певцов Евгений Филиппович — кандидат технических наук, доцент, директор дизайн центра

Москва, 119454

sc 6602652601

Evgeny F. Pevtsov — PhD, Associate Professor, Director of the Design Center

Moscow, 119454

sc 6602652601

pevtsov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6009-1499КолчужинВ. А.KolchuzhinV. A.

Колчужин Владимир Анатольевич — кандидат наук, ведущий инженер-конструктор

Мюнхен, 81829

sc 8966061600

Vladimir A. Kolchuzhin — PhD, Senior Design Engineer

Munich, 81829

sc 8966061600

vladimir.kolchuzhin@ieee.orgМИРЭА — Российский технологический университетРоссияRussian Technology University MIREARussian FederationQorvo Munich GmbHГерманияQorvo Munich GmbHGermany202503072025253508519Copyright © Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А., 20252025Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А.Solovev A.A., Pevtsov E.F., Kolchuzhin V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/474

Введение. КМОП-технология практически достигла физического предела уменьшения размеров транзисторов и обладает существенными эксплуатационными ограничениями при экстремальных температурах и ионизирующем излучении. В работе предлагается методика проектирования логических элементов на основе альтернативной технологии, использующей гребенчатые микроэлектромеханические резонаторы, работающие на бесконтактном принципе и перепрограммируемые в процессе эксплуатации.Метод. Предложена методика расчета геометрических параметров устройства с помощью аналитических выражений и с учетом технологических норм, необходимых для достижения заданных характеристик: собственной частоты колебаний резонатора (100 кГц) и коэффициента добротности (20) при атмосферном давлении.Основные результаты. Определены оптимальные геометрические параметры устройства, характеристики емкостных ячеек, влияющие на чувствительность устройства и добротность с учетом воздушного демпфирования. Точность расчетов достаточна для проектирования фотошаблонов без использования специализированного программного обеспечения. Разработана компактная модель логического микроэлектромеханического элемента, позволяющая проводить системный анализ динамических характеристик и реализовывать функционально полный набор логических операций.Обсуждение. Разработанный маршрут проектирования может применяться для создания логических микроэлектромеханических элементов с возможностью перепрограммирования в процессе работы и дальнейшего каскадирования таких устройств для построения сложных цифровых схем. Работа полезна разработчикам микроэлектромеханических акселерометров и гироскопов и предлагает альтернативный подход к созданию трехмерных моделей на основе библиотеки параметрических компонентов и генерации компактных моделей для системного анализа.

CMOS technology has nearly reached the physical limits of transistor scaling and exhibits significant operational limitations at extreme temperatures and ionizing radiation. This work proposes a methodology for designing logic elements based on an alternative technology utilizing comb-drive microelectromechanical resonators operating on a non-contact principle and reconfigurable during operation. A method is proposed for calculating the geometric parameters of the device using analytical expressions and considering technological norms necessary to achieve specified characteristics: the natural frequency of resonator oscillations (100 kHz) and the quality factor (20) at atmospheric pressure. Optimal geometric parameters of the device, characteristics of capacitive cells affecting the sensitivity of the device and the quality factor, taking into account air damping, are determined. The accuracy of the calculations is sufficient for designing photomasks without using specialized software. A compact model of a logic microelectromechanical element has been developed, allowing for system analysis of dynamic characteristics and implementation of a functionally complete set of logic operations. The developed design flow can be applied to create logic microelectromechanical elements with the possibility of reprogramming during operation and further cascading of such devices for constructing complex digital circuits. The article is useful for developers of microelectromechanical accelerometers and gyroscopes and proposes an alternative approach to creating three-dimensional models based on a library of parametric components and generating compact models for system analysis.

МЭМСмикроэлектромеханические резонаторылогические элементывентилисистемное моделированиеИЛИ-НЕИсключающее ИЛИMEMSmicro-electro-mechanical systems resonatorslogic gatessystem-level modelingNOR gateXOR gateРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание для университетов № ФГФЗ-2023-0005) и с применением оборудования Центра коллективного пользования РТУ МИРЭА (соглашение от 01.09.2021 № 075–15-2021-689, уникальный идентификационный номер 2296.61321Х0010).This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (State Assignment for Universities No. ФГФЗ-2023-0005) and carried out using equipment of the Shared Equipment Center of RTU MIREA (Agreement No. 075-15-2021-689 dated 01.09.2021, unique identification number 2296.61321Х0010).ReferencesNanaiah K.C., Younis M.I. Dual electro-mechanical oscillator for dynamically reprogrammable logic gate. Patent US11031937B2, 2021.Nanaiah K.C., Younis M.I. Dual electro-mechanical oscillator for dynamically reprogrammable logic gate. Patent US11031937B2, 2021.Hafiz M.A.A., Kosuru L., Younis M.I. Microelectromechanical reprogrammable logic device // Nature Communications. 2016. V. 7. P. 11137. https://doi.org/10.1038/ncomms11137Hafiz M.A.A., Kosuru L., Younis M.I. Microelectromechanical reprogrammable logic device. Nature Communications, 2016, vol. 7, pp. 11137. https://doi.org/10.1038/ncomms11137Fariborzi H., Chen F., Nathanael R., Chen I-Ru, Hutin L., Lee R., Liu T.-J.K., Stojanovic V. Relays do not leak – CMOS does // Proc. of the 50th ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC). 2013. P. 1–4.Fariborzi H., Chen F., Nathanael R., Chen I-Ru, Hutin L., Lee R., Liu T.-J.K., Stojanovic V. Relays do not leak — CMOS does. Proc. of the 50th ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC), 2013, pp. 1–4.Ilyas S., Ahmed S., Hafiz A.A., Fariborzi H., Younis M. Cascadable microelectromechanical resonator logic gate // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2019. V. 29. N 1. P. 015007. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aaf0e6Ilyas S., Ahmed S., Hafiz A.A., Fariborzi H., Younis M. Cascadable microelectromechanical resonator logic gate. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2019, vol. 29, no. 1, pp. 015007. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aaf0e6Ilyas S., Hafiz M.A.A., Fariborzi H., Younis M.I. Mechanical resonator based cascadable logic device. Patent US20190341920A1, 2021.Ilyas S., Hafiz M.A.A., Fariborzi H., Younis M.I. Mechanical resonator based cascadable logic device. Patent US20190341920A1, 2021.Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А. Системное моделирование мультиконтактного микроэлектромеханического логического элемента // Нано- и микросистемная техника. 2024. Т. 26. № 6. С. 260–267.Solovev A.A., Pevtsov E.F., Kolchuzhin V.A. System modeling of a multi-contact microelectromechanical logic element. Nano- and Microsystems Technology, 2024, vol. 26, no. 6, pp. 260–267. (in Russian)Asselot J., Krust A., Parent A., Welham C. High order MEMS models for system design // Proc. of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/iscas.2018.8351644Asselot J., Krust A., Parent A., Welham C. High order MEMS models for system design. Proc. of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2018, pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/iscas.2018.8351644Gridchin A.V., Kolchuzhin V.A., Gridchin V.A. An optimization of initial gap in electrostatic comb drive // Proc. on the 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2016. P. 13–15. https://doi.org/10.1109/APEIE.2016.7802182Gridchin A.V., Kolchuzhin V.A., Gridchin V.A. An optimization of initial gap in electrostatic comb drive. Proc. on the 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), 2016, pp. 13–15. https://doi.org/10.1109/APEIE.2016.7802182Senturia S.D. Microsystem Design. Springer, 2005. 689 p.Senturia S.D. Microsystem Design. Springer, 2005. 689 p.Parker G.W. What is the capacitance of parallel plates? // Computers in Physics. 1991. V. 5. P. 534–540. https://doi.org/10.1063/1.4823017Parker G.W. What is the capacitance of parallel plates? Computers in Physics, 1991, vol. 5, pp. 534–540. https://doi.org/10.1063/1.4823017Maj C., Nazdrowicz J., Stawiński A. Fringing field modelling in MEMS capacitive comb-drive accelerometers // Methods and tools in CAD — selected issues. 2021. P. 15–27. https://doi.org/10.24427/978-83-66391-87-1_02Maj C., Nazdrowicz J., Stawiński A. Fringing field modelling in MEMS capacitive comb-drive accelerometers. Methods and tools in CAD — selected issues, 2021, pp. 15–27. https://doi.org/10.24427/978-83-66391-87-1_02Yazdi N., Najafi K., Salian A. A high-sensitivity silicon accelerometer with a folded-electrode structure // Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. V. 12. N 4. P. 479–486. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2003.815837Yazdi N., Najafi K., Salian A. A high-sensitivity silicon accelerometer with a folded-electrode structure. Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, vol. 12, no. 4, pp. 479–486. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2003.815837Veijola T., Turowski M. Compact damping models for laterally moving microstructures with gas-rarefaction effects // Journal of Microelectromechanical Systems. 2001. V. 10. N 2. P. 263–273. https://doi.org/10.1109/84.925777Veijola T., Turowski M. Compact damping models for laterally moving microstructures with gas-rarefaction effects. Journal of Microelectromechanical Systems, 2001, vol. 10, no. 2, pp. 263–273. https://doi.org/10.1109/84.925777Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024682380 РФ. Программа аналитического расчета геометрических размеров логических МЭМС вентилей на основе гребенчатых резонаторов: № 2024680765. заявлено 10.09.2024. опубликовано 23.09.2024. Бюл. № 10 / Колчужин В.А., Соловьев А.А., Певцов Е.Ф. правообладатель ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет».Kolchuzhin V.A., Solovev A.A., Pevtcov E.F. Program for analytical calculation of geometric dimensions of logical MEMS gates based on comb resonators. Certificate of the State computer program registration RU 2024682380. 2024. (in Russian)Schröpfer G., Lorenz G., Krust A., Vernay B., Breit S., Mehdaoui A., Sanginario A. MEMS system-level modeling and simulation in smart systems // Smart Systems Integration and Simulation. 2016. P. 145–168. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27392-1_6Schröpfer G., Lorenz G., Krust A., Vernay B., Breit S., Mehdaoui A., Sanginario A. MEMS system-level modeling and simulation in smart systems. Smart Systems Integration and Simulation, 2016, pp. 145–168. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27392-1_6Lorenz G., Morris A., Lakkis I. A top-down design flow for MOEMS // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4408. P. 126–137. https://doi.org/10.1117/12.425351Lorenz G., Morris A., Lakkis I. A top-down design flow for MOEMS. Proceedings of SPIE, 2001, vol. 4408, pp. 126–137. https://doi.org/10.1117/12.425351Zhang Z., Kamon M., Daniel L. Continuation-based pull-in and liftoff simulation algorithms for microelectromechanical devices // Journal of Microelectromechanical Systems. 2014. V. 23. N 5. P. 1084–1093. https://doi.org/10.1109/jmems.2014.2304967Zhang Z., Kamon M., Daniel L. Continuation-based pull-in and liftoff simulation algorithms for microelectromechanical devices. Journal of Microelectromechanical Systems, 2014, vol. 23, no. 5, pp. 1084–1093. https://doi.org/10.1109/jmems.2014.2304967Lorenz G., Schröpfer G. 3D parametric-library-based MEMS/IC design // System-Level Modeling of MEMS. 2013. P. 407–424. https://doi.org/10.1002/9783527647132.ch17Lorenz G., Schröpfer G. 3D parametric-library-based MEMS/IC design. System-Level Modeling of MEMS, 2013, pp. 407–424. https://doi.org/10.1002/9783527647132.ch17Haase J., Reitz S., Wünsche S., Schwarz P., Becker U., Lorenz G., Neul R. Netzwerk- und Verhaltensmodellierung eines mikromechanischen Beschleunigungssensors // Proc. of the Workshop Methoden und Werkzeuge zum Entwurf von Mikrosystemen im Rahmen des 2. Statusseminars zum BMBF-Verbundprojekt Modellbildung für die Mikrosystemtechnik MIMOSYS. 1997. P. 23–30.Haase J., Reitz S., Wünsche S., Schwarz P., Becker U., Lorenz G., Neul R. Netzwerk- und Verhaltensmodellierung eines mikromechanischen Beschleunigungssensors. Proc. of the Workshop Methoden und Werkzeuge zum Entwurf von Mikrosystemen im Rahmen des 2. Statusseminars zum BMBF-Verbundprojekt Modellbildung für die Mikrosystemtechnik MIMOSYS, 1997, pp. 23–30. (in German)Neul R., Becker U., Lorenz G., Schwarz P., Haase J., Wünsche S. A modeling approach to include mechanical microsystem components into the system simulation // Proc. of the Proceedings Design, Automation and Test in Europe. 1998. P. 510–517. https://doi.org/10.1109/DATE.1998.655906Neul R., Becker U., Lorenz G., Schwarz P., Haase J., Wünsche S. A modeling approach to include mechanical microsystem components into the system simulation. Proc. of the Proceedings Design, Automation and Test in Europe, 1998, pp. 510–517. https://doi.org/10.1109/DATE.1998.655906Kolchuzhin V., Dotzel W., Mehner J. Challenges in MEMS parametric macro-modeling based on mode superposition technique // Proc. of the 10th International Conference on Thermal, Mechanical and MultiPhysics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE. 2009. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ESIME.2009.4938481Kolchuzhin V., Dotzel W., Mehner J. Challenges in MEMS parametric macro-modeling based on mode superposition technique. Proc. of the 10th International Conference on Thermal, Mechanical and MultiPhysics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE, 2009, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/ESIME.2009.4938481Kolchuzhin V. Verilog-A_components. [Электронный ресурс]. URL:https://github.com/Kolchuzhin/Verilog-A_components/tree/main/MIREA (дата обращения: 06.02.2025).Kolchuzhin V. Verilog-A_components. Available at: https://github.com/Kolchuzhin/Verilog-A_components/tree/main/MIREA (accessed: 06.02.2025).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.