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1 引言 RFMEMS開關是利用靜電吸附力來控制微橋或；懸臂的上下運動從而實現開、關特性，它廣泛應用于射頻微波、毫米波領域。目前主要有兩種MEMS開關類型：懸浮臂接觸式和并聯電容式。MEMS開關具有低插損(0．1dB)、高絕緣(40dB，2GH2)、易于集成和能處理大功率(1-2W)等優點川。懸浮臂接觸式開關由懸臂、金屬接觸點和靜電驅動機械部分組成，其驅動電壓相對較低且在實際電路中應用靈活，但其在工藝上實現起來比較困難，可靠性相對較差。對其進行軟件模擬，從而對其參數進行優化，可以減少工藝上不必要的過程。本文目前是利用ANSYS對懸臂梁接觸開關進行力電耦合分析，根據分析結果來修改開關的結構尺寸，從而降低開關的驅動電壓，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行分析，并與實驗結果進行比較，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懸浮臂開關如圖1所示。該MEMS微型開關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"、"關"狀態。其組成為：微電子基底、襯底電極、可動結構、第一第二接觸點和一個絕緣層。從剖面看，這種可動結構由一個電極層和襯底組成；從長度上看，該可動結構有一個與襯底固定區、介質區和一個相對于襯底電極的可動末端區。當一個電壓施加于上電極，懸浮臂在靜電力壓迫下，開關閉合；當電壓被關掉，靜電力消失，懸梁恢復其原來狀態位置。懸浮臂接觸式開關的尺寸應該使其能夠被靜電力移動或部分變形。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，幾何尺寸和驅動電壓可以通過幾個方程來計算。當形狀改變后，電場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帶來大的耦合方程的求解，ANSYS是比較適合MEMS模擬的幾個工具之一，它的模擬環境是基于簡潔的有限元，能夠解決多物理場的相互耦合處理。 2．2力-電耦合分析方法 在ANSYS模擬中力電耦合分析可分為兩大類：順序耦合法和直接耦合法。順序耦合法包括兩個或多個按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理場分析，通過將前一個分析結果作為載荷施加到第一個分析中的方式進行耦合；直接耦合方法，只包含一個分析，它使用包含多場自由度的耦合單元，通過計算包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進行耦合。順序耦合分析可使用間接法和物理環境法，在懸臂梁開關中，當加上電壓后，懸臂開關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，反過來又會影響靜電場的分布，從而使靜電力的大小發生變化。由于分析中涉及到靜電場分析和機械場分析的迭代分析，而物理環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境法順序耦合法來進行開關的力電耦合分析。 2．3開關模擬分析過程 由于實際的模型比較復雜，離散化非常困難，所以對原模型進行了適當的簡化。簡化后模型的上極板為單一的某種材料構成。這樣分析起來比較方便，且又比較接近實際結果。 首先設定好標題，然后創建電場物理環境，包括選擇合適的單元類型，定義單位制和材料屬性，創建模型，劃分網格，施加基本物理載荷及邊界條件，設定所有的求解選項等，接著保存好電場的物理環境。創建機械場的物理環境，內容同上，最后軟件將會按照圖2所示的流程圖進行迭代求解。 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320Bm，寬90gm，厚2gm：模型Ⅱ長430gm，寬360Bm，厚2gm：模型Ⅲ長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，最大位移達到2．03lgm；對于模型Ⅱ加的電壓為1．7V時，最大位移達到1．980gm；對于模型III加的電壓為5V時，最大位移達到1．919llm。可以看到模型II的驅動電壓最低，模型I的驅動電壓最高。對模型I在不同材料時的驅動電壓做了分析，得到驅動電壓與楊氏模量的關系曲線(圖6)。得到的楊氏模量越大，開關的驅動電壓越高。因為模型II的驅動電壓最小，本文還對模型II進行了深入分析，得到的驅動電壓與懸梁厚度、電極面積的關系見圖7，8。可以看到，懸梁厚度與開關的驅動電壓成反比，而開關的電極面積與驅動電壓成正比。在圖3，4，5三個模型中，模型II的電極面積最大， 因此驅動電壓最低。 3.1MEMS的疲勞失效機理 在MEMS開關中，因負載驅動的周期性變化，使懸臂梁發生往復運動，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關失效的，臨界負載，也會使它的機械性能衰退而失效。疲勞失效會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模擬疲勞過程 ANSYS軟件的疲勞計算是以ASME(美國機械工程師協會)鍋爐和壓力容器規范的第三部分作為計算的依據，用簡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行疲勞計算，首先進入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參數和確定需要進行疲勞計算的位置，緊接著儲存應力，指定時間的循環次數和指定比例，這樣就可以激活疲勞計算，得出一系列結果，如所經歷循環次數和允許循環次數等。 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，模型I的可以循環次數為1．5E12，模型Ⅱ的為3E13，模型III的為2E13，可以看出驅動電壓越小則開關的可循環次數越高，4l。我們對模型I流片進行了測試：當加脈沖激勵頻率為4Hz，幅度為28V時，開關壽命為10200次，這與用ANSYS分析出來的結果有比較大的差距，主要是在實際情況中還存在以下幾種失效的影響：①摩擦失效，兩個表面在工作中長期頻繁的撞擊接觸并產生微小相對運動，產生的靜摩擦力會導致表面的磨損，這種磨損導致結構表面變得粗糙或者產生凹坑、小碎片；②負載電流的影響，大多數研究認為，開關電流與開關壽命呈反比；③開關的熱失效，MEMS接觸式開關的兩個金屬表面之間長時間的頻繁撞擊接觸，不僅使得接觸處出現磨損，也使得接觸點的溫度上升；④實際工藝存在缺陷和不穩定性，使做出來的開關與理想的情況有一定差距，導致壽命下降。國外報道做得質量好的開關已經十分接近我們模擬的理論數據。 4 結論 ANSYS是一種用來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：驅動電壓是影響開關壽命的重要因素，電壓越小，則壽命越長。而驅動電壓與開關的電極面積、楊氏模量、懸梁厚度都有關系。上下電極耦合接觸面積越大，則驅動電壓越小，這與已報道的理論分析結果是一致的。另外可以看到，驅動電壓隨著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良。通過第一步力電耦合，得到了開關節點力的分布情況，然后進行疲勞分析，得出了三種開關在疲勞之前分別可以循環的次數，可以看出，驅動電壓越小，則次數越長。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，主要是實際實驗中開關還要受到摩擦失效、開關的熱失效、負載電流的感應效應及工藝不穩定性等因素的影響。另外，測試的驅動波行使用雙脈沖可以減少介質充電對壽命的影響。 |
