離面運(yùn)動靜電執(zhí)行器系統(tǒng)級設(shè)計方法研究.pdf

1、靜電執(zhí)行器是MEMS中應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行器，常用于RF MEMS、光MEMS等，其運(yùn)動方式分為面內(nèi)（平行于襯底方向）和離面（垂直于襯底方向）兩種。由于面內(nèi)運(yùn)動執(zhí)行器工作過程中靜電能和機(jī)械能不存在耦合，分析較為簡單；而離面運(yùn)動執(zhí)行器中這兩種能量有著強(qiáng)耦合關(guān)系，分析比較復(fù)雜。對于規(guī)則結(jié)構(gòu)，離面運(yùn)動執(zhí)行器的分析已有豐富的計算模型，但實(shí)際使用中的結(jié)構(gòu)卻是復(fù)雜多變的，大多情況下沒有對應(yīng)的模型，因此在目前的MEMS設(shè)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(jìn)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(shí)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(shè)計的效率有必要研究新的系統(tǒng)級設(shè)計方法。
　　 MEMS節(jié)點(diǎn)法是一種結(jié)構(gòu)化、層次化的設(shè)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(fù)利用構(gòu)成各種復(fù)雜器件。對每種單元

3、構(gòu)建節(jié)點(diǎn)化模型，就可以實(shí)現(xiàn)完整器件的分析，如果再將這些節(jié)點(diǎn)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃щ娐纺Ｐ停瑒t可以實(shí)現(xiàn)MEMS系統(tǒng)與電路系統(tǒng)的協(xié)同仿真。節(jié)點(diǎn)模型良好的通用性得益于參數(shù)化建模，而節(jié)點(diǎn)法計算的高效率則得益于模型的降階。
　　 目前對MEMS節(jié)點(diǎn)化設(shè)計方法已有少量研究，可以實(shí)現(xiàn)部分MEMS結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)化分析，但由于這些研究的重點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)化思想的實(shí)現(xiàn)上，因而很多實(shí)際情況考慮較少。在離面靜電執(zhí)行器的相關(guān)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(jié)構(gòu)，無法對各種變截面復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；二是對實(shí)際應(yīng)用中的非理想效應(yīng)缺乏研究，離實(shí)用化程度較遠(yuǎn)。本文即以離面運(yùn)動靜電執(zhí)行器為研究對象，開展節(jié)點(diǎn)化設(shè)計方法研究，通過伽遼金法和等效電路法構(gòu)建新的節(jié)點(diǎn)單元，拓展節(jié)點(diǎn)法的應(yīng)用范圍。通過提出新的計算公式、構(gòu)建輔助分析模型等手段提高節(jié)點(diǎn)模型對實(shí)際情況的預(yù)測能力。
　　 本文的具體工作主要有：
　　 第一：歸納了離面運(yùn)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(qū)動厚梁

5、單元、靜電驅(qū)動梯形梁單元和靜電驅(qū)動多層梁單元的節(jié)點(diǎn)化模型，實(shí)現(xiàn)了非理想錨結(jié)構(gòu)、突變截面梁結(jié)構(gòu)、漸變截面梁結(jié)構(gòu)和多層梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)化分析；
　　 第二：建立了實(shí)際梁單元模型，首次在梁單元中考慮了非平行板效應(yīng)、邊緣電場效應(yīng)，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(yīng)，提高了節(jié)點(diǎn)法對實(shí)際問題的預(yù)測能力；
　　 第三：首次提出了一種針對極板不等寬的靜電結(jié)構(gòu)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(diǎn)單元的等效電路模型，發(fā)展了用于離面運(yùn)動靜電執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)化分析的Hspice單元庫；
　　 第五：驗(yàn)證了各節(jié)點(diǎn)單元模型和輔助單元模型的仿真精度，與有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)化模型擴(kuò)展了MEMS節(jié)點(diǎn)法的應(yīng)用范圍，各種非理想效應(yīng)的研究提高了節(jié)點(diǎn)化模型對實(shí)際情況的預(yù)測能力。仿真和實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)際單元模型配合輔助模型可