離面運動靜電執(zhí)行器系統(tǒng)級設計方法研究.pdf

1、靜電執(zhí)行器是MEMS中應用最廣泛的執(zhí)行器，常用于RF MEMS、光MEMS等，其運動方式分為面內（平行于襯底方向）和離面（垂直于襯底方向）兩種。由于面內運動執(zhí)行器工作過程中靜電能和機械能不存在耦合，分析較為簡單；而離面運動執(zhí)行器中這兩種能量有著強耦合關系，分析比較復雜。對于規(guī)則結構，離面運動執(zhí)行器的分析已有豐富的計算模型，但實際使用中的結構卻是復雜多變的，大多情況下沒有對應的模型，因此在目前的MEMS設計中普遍使用的還是各種基于有限元的

2、分析軟件。眾所周知，有限元算法計算量大、建模不方便，而且無法與電路系統(tǒng)進行協(xié)同仿真。為此，不少有限元軟件加入了模型降階功能用以實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真，但所用方法都是基于有限元降階的，不但模型的通用性差，而且降階過程仍然無法避免耗時的有限元計算。因此，為了提高設計的效率有必要研究新的系統(tǒng)級設計方法。
　　 MEMS節(jié)點法是一種結構化、層次化的設計方法，它將MEMS系統(tǒng)劃分為有限個基本單元，通過這些單元的重復利用構成各種復雜器件。對每種單元

3、構建節(jié)點化模型，就可以實現(xiàn)完整器件的分析，如果再將這些節(jié)點模型轉變?yōu)榈刃щ娐纺Ｐ?，則可以實現(xiàn)MEMS系統(tǒng)與電路系統(tǒng)的協(xié)同仿真。節(jié)點模型良好的通用性得益于參數(shù)化建模，而節(jié)點法計算的高效率則得益于模型的降階。
　　 目前對MEMS節(jié)點化設計方法已有少量研究，可以實現(xiàn)部分MEMS結構的節(jié)點化分析，但由于這些研究的重點在于節(jié)點化思想的實現(xiàn)上，因而很多實際情況考慮較少。在離面靜電執(zhí)行器的相關研究中，主要存在兩大問題：一是研究集中于規(guī)則的等

4、截面結構，無法對各種變截面復雜結構進行分析；二是對實際應用中的非理想效應缺乏研究，離實用化程度較遠。本文即以離面運動靜電執(zhí)行器為研究對象，開展節(jié)點化設計方法研究，通過伽遼金法和等效電路法構建新的節(jié)點單元，拓展節(jié)點法的應用范圍。通過提出新的計算公式、構建輔助分析模型等手段提高節(jié)點模型對實際情況的預測能力。
　　 本文的具體工作主要有：
　　 第一：歸納了離面運動靜電執(zhí)行器的基本單元，首次建立了非理想矩形錨單元、靜電驅動厚梁

5、單元、靜電驅動梯形梁單元和靜電驅動多層梁單元的節(jié)點化模型，實現(xiàn)了非理想錨結構、突變截面梁結構、漸變截面梁結構和多層梁結構的節(jié)點化分析；
　　 第二：建立了實際梁單元模型，首次在梁單元中考慮了非平行板效應、邊緣電場效應，并提出了一種通用的連接單元模型用于計算非共軸連接效應，提高了節(jié)點法對實際問題的預測能力；
　　 第三：首次提出了一種針對極板不等寬的靜電結構的通用電容近似計算公式，提高了原有公式在電極較窄時靜電力計算的精度

6、；
　　 第四：根據(jù)電路類比方法建立了各節(jié)點單元的等效電路模型，發(fā)展了用于離面運動靜電執(zhí)行器節(jié)點化分析的Hspice單元庫；
　　 第五：驗證了各節(jié)點單元模型和輔助單元模型的仿真精度，與有限元仿真和實驗結果的對比表明：所建模型計算高效、精度較高、簡單易用。
　　 本文提出的節(jié)點化模型擴展了MEMS節(jié)點法的應用范圍，各種非理想效應的研究提高了節(jié)點化模型對實際情況的預測能力。仿真和實驗表明：實際單元模型配合輔助模型可