[發(fā)明專(zhuān)利]微機(jī)電變截面固支梁系統(tǒng)級(jí)宏模型的建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810022645.X
• 申請(qǐng)日: 2008-07-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101320398A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李偉華;李蓓佳;劉天一
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50;B81C5/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件系統(tǒng)級(jí)建模方法，特別是變截面結(jié)構(gòu)的微機(jī)電梁的建模方法，屬于電學(xué)及半導(dǎo)體領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雙端固支變截面梁被廣泛用于RF開(kāi)關(guān)、光開(kāi)關(guān)和可變電容等設(shè)計(jì)中。其結(jié)構(gòu)主要是由兩大部分構(gòu)成：中間部分的寬梁102和兩邊的窄梁101。窄梁主要用于支撐結(jié)構(gòu)，RF開(kāi)關(guān)、光開(kāi)關(guān)和可變電容的核心部分是寬梁。但是，因?yàn)椴牧系目箯椥耘で瑢?dǎo)致中間的寬梁部分發(fā)生兩維方向的彎曲，即形成馬鞍形結(jié)構(gòu)，使得中間的寬梁部分并非以剛性平板方式運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接觸不良，或者可變電容間距的兩維變化，增加了非線性影響。以往的寬窄梁系統(tǒng)級(jí)宏模型都是進(jìn)行了一維近似，即假設(shè)寬梁和窄梁都只發(fā)生沿長(zhǎng)度方向(X方向)的單向彎曲，忽略了寬度方向的彎曲，使得模型誤差較大。產(chǎn)生誤差的主要原因是這樣的梁具有明顯的兩維特征，Y方向的彎曲及其對(duì)于器件行為的影響不可忽略。為了能夠準(zhǔn)確地分析雙端固支變截面梁的力學(xué)行為，本發(fā)明提出了一種微機(jī)電變截面固支梁系統(tǒng)級(jí)宏模型的建立方法。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種微機(jī)電變截面固支梁系統(tǒng)級(jí)宏模型及其建立方法，借助此模型和方法可以方便地對(duì)不同尺寸雙端固支變截面梁進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)模擬，分析變截面梁的靜態(tài)行為和動(dòng)態(tài)行為。

技術(shù)方案：本發(fā)明以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，分析結(jié)構(gòu)的受力情況，并利用反饋機(jī)制描述力電耦合關(guān)系，以信號(hào)流圖的形式建立模型，特別是將Y方向的彎曲作用轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)彈性回復(fù)力的修正，使兩維的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一維問(wèn)題求解，即滿足了精度要求，又簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)受力分析并利用反饋機(jī)制建立基于一維梁的信號(hào)流圖模型；其次，基于寬梁部分發(fā)生的Y方向彎曲建立修正函數(shù)；將修正函數(shù)以比例放大器形式插入到一維信號(hào)流圖模型中彈性回復(fù)力模塊前，得到修正的信號(hào)流圖模型。該模型就是變截面固支梁的系統(tǒng)級(jí)宏模型。

本發(fā)明為完成上述工作，采用的具體技術(shù)方案為：在變截面固支梁一維信號(hào)流模型中引入彈性回復(fù)力修正項(xiàng)，將因?qū)捔翰糠值膶挾确较驈澢a(chǎn)生的兩維效應(yīng)轉(zhuǎn)換為一維模型修正，使得模型精度遠(yuǎn)高于一維信號(hào)流圖模型；在該系統(tǒng)級(jí)宏模型的信號(hào)流結(jié)構(gòu)中，阻尼力大小為阻尼系數(shù)乘以運(yùn)動(dòng)速度；彈性回復(fù)力與位移d有關(guān)；由外力、阻尼力和彈性回復(fù)力所形成的合力F＝ma，其中m為等效集總質(zhì)量，a為加速度；合力F經(jīng)過(guò)放大系數(shù)為1/m的第一比例放大器轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俣萢；再經(jīng)第一積分器積分得到速度，該速度經(jīng)第二積分器積分得到位移d；第二比例放大器的比例系數(shù)為彈性回復(fù)力修正系數(shù)η，對(duì)彈性回復(fù)力進(jìn)行修正。

第二比例放大器所對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)η計(jì)算方法是建立修正系數(shù)與寬梁寬度尺寸的關(guān)系函數(shù)：

η＝0.807-0.346α+0.107α²-0.013α³

參數(shù)α=(b2-b1b1)]]>

其中，寬梁的寬度b₂????窄梁的寬度b₁，

該函數(shù)值即修正系數(shù)η隨著寬梁部分寬度尺寸的增加單調(diào)下降。

該模型采用信號(hào)流圖的方式進(jìn)行描述，可以直接利用Matlab進(jìn)行模擬，也可以將信號(hào)流圖轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃щ娐罚捎肧PICE進(jìn)行模擬。

有益效果：

1.針對(duì)具有兩維效應(yīng)的微機(jī)電變截面梁建立的系統(tǒng)級(jí)宏模型建模方法，可適用于具有同類(lèi)特征的RF開(kāi)關(guān)、微光開(kāi)關(guān)和可變電容的行為分析。

2.將兩維的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一維問(wèn)題求解，即滿足了精度要求，又簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)。

3.基于信號(hào)流圖建立的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于轉(zhuǎn)換成不同的描述方法，可應(yīng)用的模擬器較多，便于在不同的微機(jī)電設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用。

附圖說(shuō)明

圖1是變截面梁結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2是一維模型，

圖3是修正后的模型。

具體實(shí)施方式：

1、固支變截面梁的結(jié)構(gòu)