Проектирование микроэлектромеханического логического элемента на основе гребенчатого резонатора

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.

1. Nanaiah K.C., Younis M.I. Dual electro-mechanical oscillator for dynamically reprogrammable logic gate. Patent US11031937B2, 2021.

2. 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/ncomms11137

3. 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. P. 1–4.

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/aaf0e6

5. Ilyas S., Hafiz M.A.A., Fariborzi H., Younis M.I. Mechanical resonator based cascadable logic device. Patent US20190341920A1, 2021.

6. 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.

7. 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.2018.8351644

8. Gridchin 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.2016.7802182

9. Senturia S.D. Microsystem Design. Springer, 2005. 689 p.

10. Parker G.W. What is the capacitance of parallel plates? // Computers in Physics. 1991. V. 5. P. 534–540. https://doi.org/10.1063/1.4823017

11. Maj 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_02

12. Yazdi 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.2003.815837

13. Veijola 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/10.1109/84.925777

14. Свидетельство 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».

15. 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_6

16. Lorenz G., Morris A., Lakkis I. A top-down design flow for MOEMS // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4408. P. 126–137. https://doi.org/10.1117/12.425351

17. Zhang 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.2014.2304967

18. Lorenz 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.ch17

19. 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. P. 23–30.

20. 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.1998.655906

21. Kolchuzhin 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.2009.4938481

22. Kolchuzhin V. Verilog-A_components. [Электронный ресурс]. URL:https://github.com/Kolchuzhin/Verilog-A_components/tree/main/MIREA (дата обращения: 06.02.2025).