静电驱动MEMS变截面梁系统级建模方法研究

摘要

MEMS器件的几何形状非常丰富与复杂，不同的几何形状为器件应用提供了有利的支持。本论文所重点研究的变截面双端固支梁，利用中间的大面积区域制作RF开关、光开关以及可变电容器关键结构，并利用两端支撑的细梁减小和控制了器件的驱动力。对这类变截面双端固支梁建立系统级等效电路宏模型具有重要的应用价值与研究价值。但是，对这种变截面的特殊结构建立系统级模型面临较大的困难，主要的问题是这类结构的两维效应不可忽略，传统的固支梁一维模型存在着难以接受的大误差。 论文的主要工作围绕双端固支变截面梁的两维效应在模型中的处理开展研究。具体的研究对象是静电驱动变截面梁，几何形状为中间宽两边窄的突变截面结构。以基本力学描述为基础，以等效电路为工具，以机电耦合MEMS器件的共性分析方法为核心开展研究。 论文工作首先利用有限元工具对双端吲支变截面梁因宽梁部分几何尺寸变化而导致的两维形变进行分析与归类，总结出宽梁尺寸与两维形变之间的关系。接着研究了因忽略两维形变而导致的模型误差，对于采用一维近似所建立的等效电路宏模型利用SPICE进行静态和动态模拟，将模拟结果与有限元的分析结果进行对比，对比结果表明一维近似模型存在着非常大的误差，最大误差接近50％。 在两维效应和尺寸关系分析以及一维模型建模方法分析的基础上，论文总结了产生误筹的三个方面的因素：支持力的忽略，形变试函数的误差，变截面处的二维效应。并针对这三个方面的问题进行了研究，对一维模型进行了修正，建立了考虑两维形变效应的新的等效电路宏模型。 除进行理论工作外，本论文的研究工作还包括了实验设计、流片与测试分析。 将本文所建立的新的静电驱动双端固支变截面梁等效电路宏模型采用SPICE进行系统级模拟，包括转移特性分析，时域特性分析和频域特性分析。采用商用软件CoventorWare中的有限元模拟工具CosolveEM进行同类型仿真，对所得到的相关数据进行对比验证，并利用激光多普勒测振仪对实验样品进行测试，对比分析结果表明，本文所建立的系统级等效电路宏模型的误差均小于10％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 静电驱动MEMS变截面梁的结构

1.2 静电驱动MEMS变截面梁的典型应用

1.3 两维效应对MEMS器件性能的影响

1.4 本论文的主要任务与工作

第2章 静电驱动MEMS器件的等效力学图像与等效信号流程

2.1 静电驱动器件的受力分析

2.2 力学表达式

2.3 静电驱动MEMS器件的信号流图

第3章 双端固支微机电变截面梁二维效应的研究

3.1 变截面梁的二维形变

3.2 形变与几何尺寸的关系

3.3 一维模型误差

3.4 本章总结

第4章 机电耦合变截面梁等效电路宏模型

4.1 计算静电吸引力时的数学近似

4.1.1 理论分析

4.1.2 数学验证

4.2 理论分析

4.2.1 变截面梁静电吸引力

4.2.2 变截面梁弹性回复力

4.2.3 变截面梁空气阻尼力

4.2.4 变截面梁的等效质量

4.3 信号流图与等效电路宏模型

4.3.1 表征变截面梁运动特性的信号流图

4.3.2 变截面梁等效电路宏模型

4.4 模拟与分析

4.4.1 准静态分析

4.4.2 频率分析

4.5 误差分析

4.5.1 支持力的忽略

4.5.2 由型函数引起的误差；

4.5.3 由宽梁二维形变引起的误差

4.6 修正后的形函数及理论分析

4.6.1 变截面梁静电吸引力

4.6.2 变截面梁弹性回复力

4.6.3 变截面梁空气阻尼力

4.6.4. 变截面梁的等效质量

4.7 模拟与分析

4.7.1 准静态分析

4.7.2 频率分析

4.8 本章小结

第5章 实验与模拟的对比验证

5.1 实验设计

5.2 实验样品制造流程

5.2.1 实验芯片设计

5.2.2 实验芯片的制备

5.2.3 芯片的湿法释放和压焊

5.2.4 LDV系统

5.2.5 其他设备

5.3 实验样品测试

5.4 模拟与实验的对比

5.4.1 Coventor Ware模态分析

5.4.2 Spice理论模型模拟分析

5.4.3 实验结果

5.5 结论

第6章 结束语

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致 谢

参考文献

在学期间发表论文