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1 引言 RFMEMS開(kāi)關(guān)是利用靜電吸附力來(lái)控制微橋或；懸臂的上下運動(dòng)從而實(shí)現開(kāi)、關(guān)特性，它廣泛應用于射頻微波、毫米波領(lǐng)域。目前主要有兩種MEMS開(kāi)關(guān)類(lèi)型：懸浮臂接觸式和并聯(lián)電容式。MEMS開(kāi)關(guān)具有低插損(0．1dB)、高絕緣(40dB，2GH2)、易于集成和能處理大功率(1-2W)等優(yōu)點(diǎn)川。懸浮臂接觸式開(kāi)關(guān)由懸臂、金屬接觸點(diǎn)和靜電驅動(dòng)機械部分組成，其驅動(dòng)電壓相對較低且在實(shí)際電路中應用靈活，但其在工藝上實(shí)現起來(lái)比較困難，可靠性相對較差。對其進(jìn)行軟件模擬，從而對其參數進(jìn)行優(yōu)化，可以減少工藝上不必要的過(guò)程。本文目前是利用ANSYS對懸臂梁接觸開(kāi)關(guān)進(jìn)行力電耦合分析，根據分析結果來(lái)修改開(kāi)關(guān)的結構尺寸，從而降低開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電壓，提高其壽命，然后在力、電耦合分析的基礎上對其疲勞特性進(jìn)行分析，并與實(shí)驗結果進(jìn)行比較，提出提高壽命的辦法。 2 力電耦合分析 2．1結構模型 典型的MEMS懸浮臂開(kāi)關(guān)如圖1所示。該MEMS微型開(kāi)關(guān)是由靜電力使相對剛性的懸臂自由端與襯底材料的傾斜度，造成與襯底分離間隙的大小， 形成"開(kāi)"、"關(guān)"狀態(tài)。其組成為：微電子基底、襯底電極、可動(dòng)結構、第一第二接觸點(diǎn)和一個(gè)絕緣層。從剖面看，這種可動(dòng)結構由一個(gè)電極層和襯底組成；從長(cháng)度上看，該可動(dòng)結構有一個(gè)與襯底固定區、介質(zhì)區和一個(gè)相對于襯底電極的可動(dòng)末端區。當一個(gè)電壓施加于上電極，懸浮臂在靜電力壓迫下，開(kāi)關(guān)閉合；當電壓被關(guān)掉，靜電力消失，懸梁恢復其原來(lái)狀態(tài)位置。懸浮臂接觸式開(kāi)關(guān)的尺寸應該使其能夠被靜電力移動(dòng)或部分變形。對于器件行為的準確預測需要靜電能和機械能的耦合解決。在設計上有一些典型的MEMS射頻器件模型可以參考。理論上，幾何尺寸和驅動(dòng)電壓可以通過(guò)幾個(gè)方程來(lái)計算。當形狀改變后，電場(chǎng)的計算變得非常復雜，所以用ANSYS軟件作為工具幫助我們完善調查研究。由于復雜器件的離散化會(huì )帶來(lái)大的耦合方程的求解，ANSYS是比較適合MEMS模擬的幾個(gè)工具之一，它的模擬環(huán)境是基于簡(jiǎn)潔的有限元，能夠解決多物理場(chǎng)的相互耦合處理。 2．2力-電耦合分析方法 在A(yíng)NSYS模擬中力電耦合分析可分為兩大類(lèi)：順序耦合法和直接耦合法。順序耦合法包括兩個(gè)或多個(gè)按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理場(chǎng)分析，通過(guò)將前一個(gè)分析結果作為載荷施加到第一個(gè)分析中的方式進(jìn)行耦合；直接耦合方法，只包含一個(gè)分析，它使用包含多場(chǎng)自由度的耦合單元，通過(guò)計算包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進(jìn)行耦合。順序耦合分析可使用間接法和物理環(huán)境法，在懸臂梁開(kāi)關(guān)中，當加上電壓后，懸臂開(kāi)關(guān)的懸梁受到靜電力的作用而向下彎曲，使得懸梁與襯底之間的間隙減少，反過(guò)來(lái)又會(huì )影響靜電場(chǎng)的分布，從而使靜電力的大小發(fā)生變化。由于分析中涉及到靜電場(chǎng)分析和機械場(chǎng)分析的迭代分析，而物理環(huán)境法順序耦合正好符合我們的要求，因此我們選用了物理環(huán)境法順序耦合法來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的力電耦合分析。 2．3開(kāi)關(guān)模擬分析過(guò)程 由于實(shí)際的模型比較復雜，離散化非常困難，所以對原模型進(jìn)行了適當的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后模型的上極板為單一的某種材料構成。這樣分析起來(lái)比較方便，且又比較接近實(shí)際結果。 首先設定好標題，然后創(chuàng )建電場(chǎng)物理環(huán)境，包括選擇合適的單元類(lèi)型，定義單位制和材料屬性，創(chuàng )建模型，劃分網(wǎng)格，施加基本物理載荷及邊界條件，設定所有的求解選項等，接著(zhù)保存好電場(chǎng)的物理環(huán)境。創(chuàng )建機械場(chǎng)的物理環(huán)境，內容同上，最后軟件將會(huì )按照圖2所示的流程圖進(jìn)行迭代求解。 2．4求解結果及討論 本文建立了三種不同形狀的模型：模型I長(cháng)320Bm，寬90gm，厚2gm：模型Ⅱ長(cháng)430gm，寬360Bm，厚2gm：模型Ⅲ長(cháng)460gm，寬160gm，厚2Bm。求解得到的模型在力電偶合后因靜電引起的變'形結果如圖3，4，5所示。對于模型I加的電壓為20V時(shí)，最大位移達到2．03lgm；對于模型Ⅱ加的電壓為1．7V時(shí)，最大位移達到1．980gm；對于模型III加的電壓為5V時(shí)，最大位移達到1．919llm�？梢钥吹侥Ｐ虸I的驅動(dòng)電壓最低，模型I的驅動(dòng)電壓最高。對模型I在不同材料時(shí)的驅動(dòng)電壓做了分析，得到驅動(dòng)電壓與楊氏模量的關(guān)系曲線(xiàn)(圖6)。得到的楊氏模量越大，開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電壓越高。因為模型II的驅動(dòng)電壓最小，本文還對模型II進(jìn)行了深入分析，得到的驅動(dòng)電壓與懸梁厚度、電極面積的關(guān)系見(jiàn)圖7，8�？梢钥吹�，懸梁厚度與開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電壓成反比，而開(kāi)關(guān)的電極面積與驅動(dòng)電壓成正比。在圖3，4，5三個(gè)模型中，模型II的電極面積最大， 因此驅動(dòng)電壓最低。 3.1MEMS的疲勞失效機理 在MEMS開(kāi)關(guān)中，因負載驅動(dòng)的周期性變化，使懸臂梁發(fā)生往復運動(dòng)，接觸部分應力高度集中，引起材料疲勞，即使負載遠遠低于引起開(kāi)關(guān)失效的，臨界負載，也會(huì )使它的機械性能衰退而失效。疲勞失效會(huì )使摩擦應力集中處萌生微裂紋，裂紋擴展到表面，形成磨損。 3．2 ANSYS模擬疲勞過(guò)程 ANSYS軟件的疲勞計算是以ASME(美國機械工程師協(xié)會(huì ))鍋爐和壓力容器規范的第三部分作為計算的依據，用簡(jiǎn)化了的彈塑性假設和Miner(密勒)的累積疲勞總和準則作為指導方針[2]。在完成應力計算后進(jìn)行疲勞計算，首先進(jìn)入POSTl(通用后處理器)，在當前內存中讀入數據庫文件，然后確定疲勞計算的規模，輸入材料的疲勞性質(zhì)參數和確定需要進(jìn)行疲勞計算的位置，緊接著(zhù)儲存應力，指定時(shí)間的循環(huán)次數和指定比例，這樣就可以激活疲勞計算，得出一系列結果，如所經(jīng)歷循環(huán)次數和允許循環(huán)次數等。 3．3結果分析與討論 根據所查材料的S-N參數，31，對上述三種模型利用ANSYS分析得到的結論如下：當最大位移為2gm時(shí)，模型I的可以循環(huán)次數為1．5E12，模型Ⅱ的為3E13，模型III的為2E13，可以看出驅動(dòng)電壓越小則開(kāi)關(guān)的可循環(huán)次數越高，4l。我們對模型I流片進(jìn)行了測試：當加脈沖激勵頻率為4Hz，幅度為28V時(shí)，開(kāi)關(guān)壽命為10200次，這與用ANSYS分析出來(lái)的結果有比較大的差距，主要是在實(shí)際情況中還存在以下幾種失效的影響：①摩擦失效，兩個(gè)表面在工作中長(cháng)期頻繁的撞擊接觸并產(chǎn)生微小相對運動(dòng)，產(chǎn)生的靜摩擦力會(huì )導致表面的磨損，這種磨損導致結構表面變得粗糙或者產(chǎn)生凹坑、小碎片；②負載電流的影響，大多數研究認為，開(kāi)關(guān)電流與開(kāi)關(guān)壽命呈反比；③開(kāi)關(guān)的熱失效，MEMS接觸式開(kāi)關(guān)的兩個(gè)金屬表面之間長(cháng)時(shí)間的頻繁撞擊接觸，不僅使得接觸處出現磨損，也使得接觸點(diǎn)的溫度上升；④實(shí)際工藝存在缺陷和不穩定性，使做出來(lái)的開(kāi)關(guān)與理想的情況有一定差距，導致壽命下降。國外報道做得質(zhì)量好的開(kāi)關(guān)已經(jīng)十分接近我們模擬的理論數據。 4 結論 ANSYS是一種用來(lái)模擬模型參數的非常有用的工具。從分析中得到的結論如下：驅動(dòng)電壓是影響開(kāi)關(guān)壽命的重要因素，電壓越小，則壽命越長(cháng)。而驅動(dòng)電壓與開(kāi)關(guān)的電極面積、楊氏模量、懸梁厚度都有關(guān)系。上下電極耦合接觸面積越大，則驅動(dòng)電壓越小，這與已報道的理論分析結果是一致的。另外可以看到，驅動(dòng)電壓隨著(zhù)楊氏模量和懸梁厚度的增大而增大。有了上面的數據分析結果，我們可以對模型H的尺寸參數做進(jìn)一步修改，也可以選用楊氏模量不同的材料，從而使其性能更加優(yōu)良。通過(guò)第一步力電耦合，得到了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)力的分布情況，然后進(jìn)行疲勞分析，得出了三種開(kāi)關(guān)在疲勞之前分別可以循環(huán)的次數，可以看出，驅動(dòng)電壓越小，則次數越長(cháng)。根據模型I流片測試得出次數最好為10200，與模擬結果有一定差距，主要是實(shí)際實(shí)驗中開(kāi)關(guān)還要受到摩擦失效、開(kāi)關(guān)的熱失效、負載電流的感應效應及工藝不穩定性等因素的影響。另外，測試的驅動(dòng)波行使用雙脈沖可以減少介質(zhì)充電對壽命的影響。 |
