靜電驅(qū)動MEMS器件基于力學(xué)描述的等效電路模擬方法.pdf

1、MEMS器件的動態(tài)行為模擬一直是MEMS設(shè)計方法學(xué)中的一個重要研究課題，其目的是在不經(jīng)過工藝線流水加工的前提下，讓設(shè)計者對MEMS器件在實際運(yùn)用中的各種行為獲得最大程度的預(yù)知，從而為設(shè)計器件的幾何結(jié)構(gòu)與確定器件的工藝流程提供可靠的參考依據(jù)。傳統(tǒng)的以有限元分析為代表的MEMS器件數(shù)值模擬方法顯然無法適應(yīng)高效仿真的需要，基于器件級宏模型的節(jié)點分析法是目前MEMS器件主要的系統(tǒng)級模擬方法之一，但由于MEMS器件工作原理的復(fù)雜性和幾何結(jié)構(gòu)的多樣

2、性，各類器件級宏模型都存在一些局限，而且節(jié)點單元的劃分也缺乏普適的依據(jù)。這些都在一定程度上阻礙了MEMS器件的設(shè)計和運(yùn)用。本文著眼于機(jī)電耦合MEMS器件的物理機(jī)理，從受力的角度分析MEMS器件的動態(tài)力學(xué)行為，直接建立基于力學(xué)描述的等效電路，實現(xiàn)靜電驅(qū)動下MEMS器件的系統(tǒng)級仿真。 論文工作以機(jī)電耦合MEMS器件為對象，以基本力學(xué)描述為基礎(chǔ)，以等效電路為工具，以機(jī)電耦合MEMS器件的共性分析方法為核心開展研究。本文首先進(jìn)行了機(jī)電耦

3、合MEMS器件的共性分析，即通過受力分析歸納出機(jī)電耦合MEMS器件所共有的力學(xué)圖像，并依據(jù)牛頓運(yùn)動定律，以信號流程圖的形式描述靜電驅(qū)動下MEMS器件的基本工作原理，初步地提出了基于MEMS器件的力學(xué)描述實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真的思想。 研究工作以MEMS基本梁結(jié)構(gòu)——懸臂梁、固支梁，以及常見的MEMS器件——梳狀諧振器為分析對象，具體研究了建立等效力學(xué)描述與等效信號流程圖的過程，并在此基礎(chǔ)上以集總參數(shù)的電路網(wǎng)絡(luò)作為器件的系統(tǒng)級描述形式，通

4、過機(jī)電類比，構(gòu)建MEMS器件基于力學(xué)描述的等效電路。所依據(jù)的核心理論是能量原理和牛頓運(yùn)動定律，所運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)是利用受控源的反饋機(jī)制實現(xiàn)機(jī)電耦合作用。 論文對于各MEMS器件建立的基于力學(xué)描述的等效電路，采用Spice工具進(jìn)行了仿真，包括轉(zhuǎn)移特性分析，時域特性分析和頻域特性分析。同時與商用軟件CoventorWare中的系統(tǒng)級仿真工具——Architect中的Saber進(jìn)行同類型仿真所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，并對誤差進(jìn)行了分