bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2025-23-3-26-35bsuir-4159Research ArticleСтатьиСистемные математические макромодели логических МЭМС-вентилейSystem-Level Mathematical Macro-Models of Logic MEMS GatesСоловьевА. А.SolovevА. А.ст. преп. каф. наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программированияSenior Lecturer at the Department of Nanoelectronics of the Institute of Advanced Technologies and Industrial ProgrammingПевцовЕ. Ф.PevtsovE. F.канд. техн. наук, доц., дир. центра проектированияСand. Sci. (Tech), Associate Professor, Director of the Design CenterКолчужинВ. А.KolchuzhinV. A.канд. техн. наук, вед. инж.-констр.Kolchuzhin V. A., Сand. Sci. (Tech), Senior Desing EngineerМИРЭА – Российский технологический университетMIREA – Russian Technological UniversityQorvo Munich GmbHQorvo Munich GmbH2025150720252332635Copyright © Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А., 20252025Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А.Solovev А.А., 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://doklady.bsuir.by/jour/article/view/4159

Актуальность исследования обусловлена стремительным развитием микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые находят применение в качестве логических элементов благодаря низкому энергопотреблению, высокой надежности и возможности перепрограммирования в процессе работы. Однако существующие подходы к проектированию логических МЭМС-вентилей требуют разработки компактных и точных математических моделей для анализа их динамических характеристик и логических операций на системном уровне. В статье представлен метод синтеза параметрических математических моделей логических МЭМС-вентилей на основе кремниевых резонаторов с электростатическим возбуждением. Разработана библиотека конструкционных макромоделей, включающая трех-, пяти- и девятиконтактные МЭМС-резонаторы, которые позволяют проводить анализ статических, частотных и динамических характеристик. Проведены анализ эффекта схлопывания электродов, гармонический анализ и симуляции логических операций, таких как НЕ, И, ИЛИ-НЕ и исключающее ИЛИ. Разработанные модели могут быть использованы для проектирования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, триггеров и арифметико-логических устройств на основе МЭМС-технологий. 

The relevance of the study is due to the rapid development of microelectromechanical systems (MEMS), which are used as logic elements due to low power consumption, high reliability and the ability to reprogram during operation. However, existing approaches to the design of MEMS logic gates require the development of compact and accurate mathematical models to analyze their dynamic characteristics and logical operations at the system level. The article presents a method for synthesizing parametric mathematical models of MEMS logic gates based on silicon resonators with electrostatic excitation. A library of design macromodels has been developed, including three-, fiveand nine-pin MEMS resonators, which allow analyzing static, frequency and dynamic characteristics. The analysis of the electrode collapse effect, harmonic analysis and simulation of logical operations such as NOT, AND, OR-NOT and exclusive OR are carried out. The developed models can be used for designing analog-todigital and digital-to-analog converters, triggers and arithmetic logic devices based on MEMS technologies.

микроэлектромеханические системыМЭМС-резонаторылогические элементывентилисистемное моделированиеязык описания аппаратурыmicroelectromechanical systemsMEMS resonatorslogic elementsgatessystem modelinghardware description language.Работа 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).ReferencesTemperature Measurement System Comprising a Resonant MEMS Device: pat. USA US20110210801, IPC H03H9/2463 / Xavier Rottenberg, Roelof Jansen, Hendrikus Tilmans; Applicant and Patent Holder Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC – US13/033,932. Claimed 24-02-2011; Published 0109-2011.Xavier Rottenberg, Roelof Jansen, Hendrikus Tilmans (2011) Temperature Measurement System Comprising a Resonant MEMS Device. Patent USA US20110210801, IPC H03H9/2463, Applicant and Patent Holder Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC – US13/033,932. Claimed 2011-02-24; Published 2011-09-01.Relays Do Not Leak: CMOS Does / Н. Fariborzi [et al.] // Proceedings of the 50th Annual Design Automation Conference. 2013. No 127. Р. 1–4.Fariborzi H., Chen F., Nathanael R., Chen I., Hutin L., Lee R., et al. (2013) Relays Do Not Leak: CMOS Does. Proceedings of the 50th Annual Design Automation Conference. 127, 1–4.Demonstration of Integrated Micro-Electro-Mechanical Relay Circuits for VLSI Applications / М. Spencer [et al.] // IEEE J. Solid-State Circuits. 2011. Vol. 46, No 1. Р. 308–320.Spencer M., Chen F., Wang C., Nathanael R., Fariborzi H., Gupta A., et al. (2011) Demonstration of Integrated Micro-Electro-Mechanical Relay Circuits for VLSI Applications. IEEE J. Solid-State Circuits. 46 (1), 308–320.Ahmed, S. Micro-Electromechanical Resonator-Based Logic and Interface Circuits for Low Power Applications / S. Ahmed // Ph. D. Thesis, KAUST Saudi Arabia. 2020.Ahmed S. (2020) Micro-Electromechanical Resonator-Based Logic and Interface Circuits for Low Power Applications. Ph. D. Thesis, KAUST Saudi Arabia.Modeling and Simulation of a MEMS Resonator Based Reprogrammable Logic Gate Using Partial Electrodes / S. Ahmed [et al.] // Conference: Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS. Paris, France, 2019. Р. 1–5.Ahmed S., Li R., Zou X., Al Hafiz M. A., Fariborzi H. (2019) Modeling and Simulation of a MEMS Resonator Based Reprogrammable Logic Gate Using Partial Electrodes. Conference: Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS. Paris, France. 1–5.Hafiz, M. Microelectromechanical Reprogrammable Logic Device / M. Hafiz, L. Kosuru, M. Younis // Nature Communications. 2016. No 7. Р. 1–9.Hafiz M., Kosuru L., Younis M. (2016) Microelectromechanical Reprogrammable Logic Device. Nature Communications. (7), 1–9.Соловьев, А. А. Системное моделирование мультиконтактного микроэлектромеханического логического элемента / А. А. Соловьев, Е. Ф. Певцов, В. А. Колчужин // Нанои микросистемная техника. 2024. Т. 26, № 6. С. 260–267.Solovev A. A., Pevtsov E. F., Kolchuzhin V. A. (2024) System Modeling of a Multi-Contact Microelectromechanical Logic Element. Nanoand Microsystems Technology. 26 (6), 260–267 (in Russian).LMGT_MEMS_component_library [Electronic Resource]. Mode of access: https://github.com/Kolchuzhin/ LMGT_MEMS_component_library/tree/master/resonator/transducer_e5. Date of access: 10.11.2024.LMGT_MEMS_component_library. Available: https://github.com/Kolchuzhin/LMGT_MEMS_component_library/tree/master/resonator/transducer_e5 (Accessed 10 November 2024).

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