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1 引言 RFMEMS開關(guān)是利用靜電吸附力來控制微橋或；懸臂的上下運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)開、關(guān)特性，它廣泛應(yīng)用于射頻微波、毫米波領(lǐng)域。目前主要有兩種MEMS開關(guān)類型：懸浮臂接觸式和并聯(lián)電容式。MEMS開關(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。懸浮臂接觸式開關(guān)由懸臂、金屬接觸點(diǎn)和靜電驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分組成，其驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)較低且在實(shí)際電路中應(yīng)用靈活，但其在工藝上實(shí)現(xiàn)起來比較困難，可靠性相對(duì)較差。對(duì)其進(jìn)行軟件模擬，從而對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以減少工藝上不必要的過程。本文目前是利用ANSYS對(duì)懸臂梁接觸開關(guān)進(jìn)行力電耦合分析，根據(jù)分析結(jié)果來修改開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，從而降低開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓，提高其壽命，然后在力、電耦合分析的基礎(chǔ)上對(duì)其疲勞特性進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)模型 典型的MEMS懸浮臂開關(guān)如圖1所示。該MEMS微型開關(guān)是由靜電力使相對(duì)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(guān)"狀態(tài)。其組成為：微電子基底、襯底電極、可動(dòng)結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)由一個(gè)電極層和襯底組成；從長度上看，該可動(dòng)結(jié)構(gòu)有一個(gè)與襯底固定區(qū)、介質(zhì)區(qū)和一個(gè)相對(duì)于襯底電極的可動(dòng)末端區(qū)。當(dāng)一個(gè)電壓施加于上電極，懸浮臂在靜電力壓迫下，開關(guān)閉合；當(dāng)電壓被關(guān)掉，靜電力消失，懸梁恢復(fù)其原來狀態(tài)位置。懸浮臂接觸式開關(guān)的尺寸應(yīng)該使其能夠被靜電力移動(dòng)或部分變形。對(duì)于器件行為的準(zhǔn)確預(yù)測需要靜電能和機(jī)械能的耦合解決。在設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電壓可以通過幾個(gè)方程來計(jì)算。當(dāng)形狀改變后，電場的計(jì)算變得非常復(fù)雜，所以用ANSYS軟件作為工具幫助我們完善調(diào)查研究。由于復(fù)雜器件的離散化會(huì)帶來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(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分析，通過將前一個(gè)分析結(jié)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，它使用包含多場自由度的耦合單元，通過計(jì)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，在懸臂梁開關(guān)中，當(dāng)加上電壓后，懸臂開關(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，反過來又會(huì)影響靜電場的分布，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分析和機(jī)械場分析的迭代分析，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)境法順序耦合法來進(jìn)行開關(guān)的力電耦合分析。 2．3開關(guān)模擬分析過程 由于實(shí)際的模型比較復(fù)雜，離散化非常困難，所以對(duì)原模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕：喕竽Ｐ偷纳蠘O板為單一的某種材料構(gòu)成。這樣分析起來比較方便，且又比較接近實(shí)際結(jié)果。 首先設(shè)定好標(biāo)題，然后創(chuàng)建電場物理環(huán)境，包括選擇合適的單元類型，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(shè)定所有的求解選項(xiàng)等，接著保存好電場的物理環(huán)境。創(chuàng)建機(jī)械場的物理環(huán)境，內(nèi)容同上，最后軟件將會(huì)按照?qǐng)D2所示的流程圖進(jìn)行迭代求解。 2．4求解結(jié)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(jié)果如圖3，4，5所示。對(duì)于模型I加的電壓為20V時(shí)，最大位移達(dá)到2．03lgm；對(duì)于模型Ⅱ加的電壓為1．7V時(shí)，最大位移達(dá)到1．980gm；對(duì)于模型III加的電壓為5V時(shí)，最大位移達(dá)到1．919llm。可以看到模型II的驅(qū)動(dòng)電壓最低，模型I的驅(qū)動(dòng)電壓最高。對(duì)模型I在不同材料時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓做了分析，得到驅(qū)動(dòng)電壓與楊氏模量的關(guān)系曲線(圖6)。得到的楊氏模量越大，開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓越高。因?yàn)槟Ｐ虸I的驅(qū)動(dòng)電壓最小，本文還對(duì)模型II進(jìn)行了深入分析，得到的驅(qū)動(dòng)電壓與懸梁厚度、電極面積的關(guān)系見圖7，8。可以看到，懸梁厚度與開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓成反比，而開關(guān)的電極面積與驅(qū)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(qū)動(dòng)電壓最低。 3.1MEMS的疲勞失效機(jī)理 在MEMS開關(guān)中，因負(fù)載驅(qū)動(dòng)的周期性變化，使懸臂梁發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，接觸部分應(yīng)力高度集中，引起材料疲勞，即使負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于引起開關(guān)失效的，臨界負(fù)載，也會(huì)使它的機(jī)械性能衰退而失效。疲勞失效會(huì)使摩擦應(yīng)力集中處萌生微裂紋，裂紋擴(kuò)展到表面，形成磨損。 3．2 ANSYS模擬疲勞過程 ANSYS軟件的疲勞計(jì)算是以ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))鍋爐和壓力容器規(guī)范的第三部分作為計(jì)算的依據(jù)，用簡化了的彈塑性假設(shè)和Miner(密勒)的累積疲勞總和準(zhǔn)則作為指導(dǎo)方針[2]。在完成應(yīng)力計(jì)算后進(jìn)行疲勞計(jì)算，首先進(jìn)入POSTl(通用后處理器)，在當(dāng)前內(nèi)存中讀入數(shù)據(jù)庫文件，然后確定疲勞計(jì)算的規(guī)模，輸入材料的疲勞性質(zhì)參數(shù)和確定需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的位置，緊接著儲(chǔ)存應(yīng)力，指定時(shí)間的循環(huán)次數(shù)和指定比例，這樣就可以激活疲勞計(jì)算，得出一系列結(jié)果，如所經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)和允許循環(huán)次數(shù)等。 3．3結(jié)果分析與討論 根據(jù)所查材料的S-N參數(shù)，31，對(duì)上述三種模型利用ANSYS分析得到的結(jié)論如下：當(dāng)最大位移為2gm時(shí)，模型I的可以循環(huán)次數(shù)為1．5E12，模型Ⅱ的為3E13，模型III的為2E13，可以看出驅(qū)動(dòng)電壓越小則開關(guān)的可循環(huán)次數(shù)越高，4l。我們對(duì)模型I流片進(jìn)行了測試：當(dāng)加脈沖激勵(lì)頻率為4Hz，幅度為28V時(shí)，開關(guān)壽命為10200次，這與用ANSYS分析出來的結(jié)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)表面在工作中長期頻繁的撞擊接觸并產(chǎn)生微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的靜摩擦力會(huì)導(dǎo)致表面的磨損，這種磨損導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面變得粗糙或者產(chǎn)生凹坑、小碎片；②負(fù)載電流的影響，大多數(shù)研究認(rèn)為，開關(guān)電流與開關(guān)壽命呈反比；③開關(guān)的熱失效，MEMS接觸式開關(guān)的兩個(gè)金屬表面之間長時(shí)間的頻繁撞擊接觸，不僅使得接觸處出現(xiàn)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(wěn)定性，使做出來的開關(guān)與理想的情況有一定差距，導(dǎo)致壽命下降。國外報(bào)道做得質(zhì)量好的開關(guān)已經(jīng)十分接近我們模擬的理論數(shù)據(jù)。 4 結(jié)論 ANSYS是一種用來模擬模型參數(shù)的非常有用的工具。從分析中得到的結(jié)論如下：驅(qū)動(dòng)電壓是影響開關(guān)壽命的重要因素，電壓越小，則壽命越長。而驅(qū)動(dòng)電壓與開關(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(qū)動(dòng)電壓越小，這與已報(bào)道的理論分析結(jié)果是一致的。另外可以看到，驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)分析結(jié)果，我們可以對(duì)模型H的尺寸參數(shù)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。通過第一步力電耦合，得到了開關(guān)節(jié)點(diǎn)力的分布情況，然后進(jìn)行疲勞分析，得出了三種開關(guān)在疲勞之前分別可以循環(huán)的次數(shù)，可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓越小，則次數(shù)越長。根據(jù)模型I流片測試得出次數(shù)最好為10200，與模擬結(jié)果有一定差距，主要是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中開關(guān)還要受到摩擦失效、開關(guān)的熱失效、負(fù)載電流的感應(yīng)效應(yīng)及工藝不穩(wěn)定性等因素的影響。另外，測試的驅(qū)動(dòng)波行使用雙脈沖可以減少介質(zhì)充電對(duì)壽命的影響。 |
