【白皮書】PMUT 感測器設計流程全攻略：從模擬到實測無縫轉換

從 MEMS 設計開始導入數位分身與模擬技術，讓你從概念驗證到量產無縫接軌！

在高速發展的物聯網應用場景中，從液位監控、環境感測，到智慧城市基礎建設，MEMS 感測器正扮演越來越關鍵的角色。但許多工程團隊仍面臨同樣的瓶頸：感測器模擬、電路設計與系統驗證分屬不同流程，導致週期拉長、誤差增高，原型一做再做、設計一改再改。

這樣的流程真的無法改善嗎？Siemens 最新的白皮書指出——其實，只要在設計階段導入數位模擬與混合模擬平台，設計迭代與系統驗證就能更精準、快速甚至自動化。

設計從不只是一張圖：PMUT 感測器數位分身讓模擬真正落地

在這份《從概念驗證到產品化——MEMS 感測器的初始設計》白皮書中，Siemens 團隊展示了一套完整流程，如何以 PMUT（壓電微機電超音波換能器）取代傳統壓阻式感測器，並藉由 OnScale 雲端平台建立 256 組 FEA 模型，快速探索不同厚度與幾何參數對共振頻率的影響。

透過建立數位分身，不僅能預測壓電元件在不同材質與頻率下的振動模式與功耗，更能搭配類比前端與 Verilog-AMS 模擬，直接驗證整體電路回應。這樣的設計流程，大幅縮短了從「理論設計」到「可用原型」的距離。

模擬不只止於裝置：從感測器到系統的整合驗證

傳統感測器開發流程中，模擬與硬體往往各自為政。但 Siemens 的設計架構打破這樣的界線。透過 S-Edit、AFS（Analog FastSPICE）與 Questa AMS 的整合，設計人員可以直接在系統層級上執行混合模擬，模擬內容涵蓋：

• 超音波感測器波傳與反射的物理模擬

• 類比前端放大、整流與 SR 鎖存器觸發

• ADC 數位化後的系統行為分析

這讓工程師能夠一次掌握整體系統從感測、電路到軟體輸出的連貫行為，提早預見如訊號失真、延遲異常等隱藏問題。

打破模擬孤島，讓每次改版都可預測

PMUT 感測器模擬的最大挑戰，是聲波的高頻特性與空氣介質下的能量損耗。傳統工具在處理超過 200 波長的模擬網格時，往往計算時間長、結果不穩定。但在本案例中，透過 OnScale 的混合網格與大規模雲端求解功能，設計團隊得以在數小時內完成完整設計空間的掃描，比傳統流程快上數倍。

這代表——每一次設計調整，模擬結果都能快速回饋，讓設計優化從「猜測」變成「量化」。

設計就是製造的起點，數位模擬是關鍵策略

與其等到原型階段才發現感測器規格不符、不如一開始就用數位模擬預測每一個環節的行為。Siemens 的這份白皮書清楚展現出：

• 為何模擬工具應整合至設計早期階段

• 如何藉由數位分身加速感測器開發

• 如何讓模擬成為跨團隊溝通的共同語言

對 IoT、消費性產品或智慧製造應用開發者而言，這不只是縮短時程與降低成本，更是讓產品「一次就設計對」的實用策略。

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