Die Simulation heterogener Systeme auf hoher Abstraktionsebene gewinnt auf Grund der zunehmenden Komplexität technischer Systeme stetig an Bedeutung. Unter heterogenen Systemen versteht man technische Systeme, die aus analoger und digitaler Elektronik, aus Komponenten verschiedener physikalischer Domänen wie mechanischen Strukturen, thermischen und optischen Komponenten sowie aus Software bestehen können. Genügte es bisher, die einzelnen Komponenten für sich in ihrer eigenen Domäne mit einem speziellen Simulator zu simulieren, so ist es heute unerläßlich, auch die Interaktionen zwischen den Komponenten zu erfassen. Um solche Systeme mit einer einheitlichen Beschreibungsform erfassen zu können, entstand aus der digitalen Hardwarebeschreibungssprache VHDL die Systembeschreibungssprache VHDL-AMS. Bei der Modellierung eines Systems muß das tatsächliche Verhalten der Komponenten abstrahiert werden, um mathematisch erfaßbar und in begrenzter Zeit simulierbar zu sein. Der Grad der Abstraktion beeinflußt jedoch die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wesentlich. Dabei muß bzw. kann das Verhalten in unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich stark abstrahiert werden, um noch akzeptable Simulationsgenauigkeiten erzielen zu können. VHDL-AMS erlaubt die Beschreibung von Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus. Man kann die unterschiedlich abstrakten Modelle der Komponenten aber nur schwer in einer Systemsimulation gemeinsam simulieren, da unterschiedlich abstrakte Modelle auch unterschiedlich abstrakte Schnittstellen aufweisen, so daß die Modelle nur mühsam miteinander verbunden werden können. Ein Austausch eines abstrakten Modells einer Komponente gegen ein weniger abstraktes Modell oder umgekehrt ist mit vielen fehleranfälligen und zeitaufwendigen Anpassungsschritten verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der es auf der Basis einer Vereinheitlichung der Modellschnittstellen ermöglicht, unterschiedlich abstrakte Modelle gemeinsam zu simulieren und einzelne Modelle gegen abstraktere oder weniger abstrakte Modelle ohne nennenswerten Zeit- und Modellierungsaufwand auszutauschen. Es werden die zu verwendenden Interfaceobjekte und Datentypen für digitale, analoge elektrische und nichtelektrische Schnittstellen unter VHDL-AMS und SystemC-AMS vorgestellt. Ebenso werden Methoden vorgestellt, die digitales, ereignisdiskretes Verhalten auf konservative elektrische Schnittstellen bzw. nichtkonservatives analoges Verhalten auf digitale Schnittstellen abbilden. Weiterhin wird erläutert, wie sich digitale Protokolle über Abstraktionsebenen hinweg übertragen lassen und ein modifizierter Top-Down Design-Flow vorgestellt. Die Demonstration der Anwendbarkeit der Methode erfolgt anhand eines Beispiels.

Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosystemen vor. Mikrosysteme können aus Elementen verschiedener physikalischer Domänen bestehen und zusätzlich digitale Hardware sowie Software enthalten. Die Erfassung und Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt den ersten Schritt im Entwurfsprozess dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enthält die Arbeit die Schilderung und Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausführlichen Anforderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der Erfassung von Signalverläufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten Anforderungen ermöglichen erste Prüfungen der Spezifikation auf Konsistenz. Zur Unterstützung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschreibung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknüpfung von Kostenparametern integrierbar. Das daraus entstehende globale Gütemaß hilft dem Entwerferteam, die optimale Systemrealisierung zu finden. / The PhD thesis proposes a toolflow for the design of microsystems on higher abstraction levels. Microsystems may consist of components using effects in different physical domains plus additional digital hardware and software. The collection and formalization of these heterogeneous systems is a first step in the design process, the associated design method ist the key point of this work. The system behavior is modeled using hybrid automata, which are checkable using hybrid modelcheckers and simulable using SystemC-AMS. Furthermore the work deals with signal forms and circuit parameters. To support modeling on lower abstraction levels like differential algebraic equations a syntax conversion from SystemC-AMS to VHDL-AMS was included. The integration of cost factors into SystemC-AMS allows design space exploration during system simulation.

Jahresbericht des Instituts für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden

No description available.

This dissertation concerns quasistatic torsional mirror's for optical applications. The intended main area of application is the use as switch in optical network's, replacing the conventional optical-electro-optical conversation. With these actuator's a new concept of electrostatic actuation has been realised. While the drive electrodes are integrated into the deflectable mirror, the whole counter electrode below the mirror plate remains at equal ground potential. The device is manufactured out of two parts using method's of silicon bulk mikro machining. A deflectable mirror plate, torsional spring's and the surrounding support structure are fabricated within the thin device layer at the top of BSOI material. The counter electrode is manufactured out of a highly doped silicon wafer. Both part's are assembled together by adhesive bonding at die level at the end. Since the driving potential is supplied to the mirror plate and the counter electrode is at ground level, lateral tolerances because of device assembly mismatches does not appear with the use of the new concept. In detail the mirror plate itself is divided into two seperate electrodes by a parallel arrangement of filled isolating trenches. The highly doped device layer provides electrical connection via the torsional spring's to the mirror electrodes. A quasistatic torsional actuation is performed if a dc-voltage is applied between one mirror side and the counter electrode. Several design's have been fabricated. The lateral dimension of the torsional mirror plate vary from 0,5 mm to 2,0 mm. The designed characteristic frequencies vary from 0,5 to 3 kHz. For quasistatic actuation the pull in angle vary from 1 to 5 degree and the pull in voltage goes up to several hundred volts. Accessorily the mirror plate is enclosed by a comb drive structure. So that the device could be used for low voltage resonant actuation or an capacitive position read out becomes feasible. Within this thesis the new concept has been verified and functionality has been demonstrated. Depending on their characteristic frequency, devices are suitable to perform quasistatic actuation within 10 ms. Experiments indicated that the electrical isolation damages irreversible at drive voltage's above 400 volt. It limits the maximum deflection of nearly all design's. At prototype actuators repeatability has been studied. No drift was observed in the static characteristic within several cycles for certain designs. Closed-loop position control is not mandatory for the actuators fabricated within this thesis. Mechanical stress inside the mirror plate causes deformation of the reflective surface larger than permitted by optical criteria. This paves the way for further device optimization, yield improvement and system integration.

Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosystemen vor. Mikrosysteme können aus Elementen verschiedener physikalischer Domänen bestehen und zusätzlich digitale Hardware sowie Software enthalten. Die Erfassung und Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt den ersten Schritt im Entwurfsprozess dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enthält die Arbeit die Schilderung und Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausführlichen Anforderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der Erfassung von Signalverläufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten Anforderungen ermöglichen erste Prüfungen der Spezifikation auf Konsistenz. Zur Unterstützung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschreibung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknüpfung von Kostenparametern integrierbar. Das daraus entstehende globale Gütemaß hilft dem Entwerferteam, die optimale Systemrealisierung zu finden. / The PhD thesis proposes a toolflow for the design of microsystems on higher abstraction levels. Microsystems may consist of components using effects in different physical domains plus additional digital hardware and software. The collection and formalization of these heterogeneous systems is a first step in the design process, the associated design method ist the key point of this work. The system behavior is modeled using hybrid automata, which are checkable using hybrid modelcheckers and simulable using SystemC-AMS. Furthermore the work deals with signal forms and circuit parameters. To support modeling on lower abstraction levels like differential algebraic equations a syntax conversion from SystemC-AMS to VHDL-AMS was included. The integration of cost factors into SystemC-AMS allows design space exploration during system simulation.

Die Simulation heterogener Systeme auf hoher Abstraktionsebene gewinnt auf Grund der zunehmenden Komplexität technischer Systeme stetig an Bedeutung. Unter heterogenen Systemen versteht man technische Systeme, die aus analoger und digitaler Elektronik, aus Komponenten verschiedener physikalischer Domänen wie mechanischen Strukturen, thermischen und optischen Komponenten sowie aus Software bestehen können. Genügte es bisher, die einzelnen Komponenten für sich in ihrer eigenen Domäne mit einem speziellen Simulator zu simulieren, so ist es heute unerläßlich, auch die Interaktionen zwischen den Komponenten zu erfassen. Um solche Systeme mit einer einheitlichen Beschreibungsform erfassen zu können, entstand aus der digitalen Hardwarebeschreibungssprache VHDL die Systembeschreibungssprache VHDL-AMS. Bei der Modellierung eines Systems muß das tatsächliche Verhalten der Komponenten abstrahiert werden, um mathematisch erfaßbar und in begrenzter Zeit simulierbar zu sein. Der Grad der Abstraktion beeinflußt jedoch die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wesentlich. Dabei muß bzw. kann das Verhalten in unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich stark abstrahiert werden, um noch akzeptable Simulationsgenauigkeiten erzielen zu können. VHDL-AMS erlaubt die Beschreibung von Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus. Man kann die unterschiedlich abstrakten Modelle der Komponenten aber nur schwer in einer Systemsimulation gemeinsam simulieren, da unterschiedlich abstrakte Modelle auch unterschiedlich abstrakte Schnittstellen aufweisen, so daß die Modelle nur mühsam miteinander verbunden werden können. Ein Austausch eines abstrakten Modells einer Komponente gegen ein weniger abstraktes Modell oder umgekehrt ist mit vielen fehleranfälligen und zeitaufwendigen Anpassungsschritten verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der es auf der Basis einer Vereinheitlichung der Modellschnittstellen ermöglicht, unterschiedlich abstrakte Modelle gemeinsam zu simulieren und einzelne Modelle gegen abstraktere oder weniger abstrakte Modelle ohne nennenswerten Zeit- und Modellierungsaufwand auszutauschen. Es werden die zu verwendenden Interfaceobjekte und Datentypen für digitale, analoge elektrische und nichtelektrische Schnittstellen unter VHDL-AMS und SystemC-AMS vorgestellt. Ebenso werden Methoden vorgestellt, die digitales, ereignisdiskretes Verhalten auf konservative elektrische Schnittstellen bzw. nichtkonservatives analoges Verhalten auf digitale Schnittstellen abbilden. Weiterhin wird erläutert, wie sich digitale Protokolle über Abstraktionsebenen hinweg übertragen lassen und ein modifizierter Top-Down Design-Flow vorgestellt. Die Demonstration der Anwendbarkeit der Methode erfolgt anhand eines Beispiels.

No description available.

This dissertation concerns quasistatic torsional mirror's for optical applications. The intended main area of application is the use as switch in optical network's, replacing the conventional optical-electro-optical conversation. With these actuator's a new concept of electrostatic actuation has been realised. While the drive electrodes are integrated into the deflectable mirror, the whole counter electrode below the mirror plate remains at equal ground potential. The device is manufactured out of two parts using method's of silicon bulk mikro machining. A deflectable mirror plate, torsional spring's and the surrounding support structure are fabricated within the thin device layer at the top of BSOI material. The counter electrode is manufactured out of a highly doped silicon wafer. Both part's are assembled together by adhesive bonding at die level at the end. Since the driving potential is supplied to the mirror plate and the counter electrode is at ground level, lateral tolerances because of device assembly mismatches does not appear with the use of the new concept. In detail the mirror plate itself is divided into two seperate electrodes by a parallel arrangement of filled isolating trenches. The highly doped device layer provides electrical connection via the torsional spring's to the mirror electrodes. A quasistatic torsional actuation is performed if a dc-voltage is applied between one mirror side and the counter electrode. Several design's have been fabricated. The lateral dimension of the torsional mirror plate vary from 0,5 mm to 2,0 mm. The designed characteristic frequencies vary from 0,5 to 3 kHz. For quasistatic actuation the pull in angle vary from 1 to 5 degree and the pull in voltage goes up to several hundred volts. Accessorily the mirror plate is enclosed by a comb drive structure. So that the device could be used for low voltage resonant actuation or an capacitive position read out becomes feasible. Within this thesis the new concept has been verified and functionality has been demonstrated. Depending on their characteristic frequency, devices are suitable to perform quasistatic actuation within 10 ms. Experiments indicated that the electrical isolation damages irreversible at drive voltage's above 400 volt. It limits the maximum deflection of nearly all design's. At prototype actuators repeatability has been studied. No drift was observed in the static characteristic within several cycles for certain designs. Closed-loop position control is not mandatory for the actuators fabricated within this thesis. Mechanical stress inside the mirror plate causes deformation of the reflective surface larger than permitted by optical criteria. This paves the way for further device optimization, yield improvement and system integration.

Jahresbericht des Instituts für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden