[發(fā)明專利]基于熱環(huán)境與橋材料屬性的X頻段MEMS移相器性能預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810967724.1
• 申請(qǐng)日: 2018-08-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109145448B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王從思;應(yīng)康;劉菁;李申;王志海;王璐;嚴(yán)粵飛;劉英想;鐘劍鋒;王偉;宋立偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

1.基于熱環(huán)境與橋材料屬性的X頻段MEMS移相器性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)確定X頻段MEMS移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁工作參數(shù)；

所述MEMS移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括共面波導(dǎo)傳輸線、MEMS橋和介質(zhì)層的長(zhǎng)度、寬度及厚度，以及相鄰兩個(gè)橋的間距和MEMS橋距介質(zhì)層的高度；所述MEMS移相器的材料屬性包括介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)；所述MEMS移相器的電磁工作參數(shù)包括MEMS移相器的電磁工作頻率f；

(2)根據(jù)步驟(1)中參數(shù)在Ansys結(jié)構(gòu)-熱仿真軟件中建立MEMS移相器結(jié)構(gòu)-熱變形仿真模型；

(3)對(duì)MEMS移相器進(jìn)行熱仿真、底板加熱源仿真，并提取MEMS橋的溫度；

(4)提取在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作熱環(huán)境下MEMS橋材料對(duì)應(yīng)的彈性模量值，再轉(zhuǎn)換為彈性系數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系，并進(jìn)行函數(shù)擬合；

按以下過(guò)程進(jìn)行：

(4a)先確定MEMS橋材料，再通過(guò)查詢或者實(shí)驗(yàn)的方式測(cè)試該材料在多個(gè)溫度點(diǎn)彈性模量值，通過(guò)軟件仿真將MEMS橋的溫度轉(zhuǎn)換為MEMS環(huán)境溫度，最終得到MEMS環(huán)境溫度-彈性模量離散點(diǎn)；

(4b)根據(jù)得到的離散點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)擬合，得到MEMS環(huán)境溫度T-彈性模量E的擬合函數(shù)，可表示為：

E＝f(T)

(4c)根據(jù)彈性系數(shù)K與彈性模量E的關(guān)系式，將彈性模量E與MEMS環(huán)境溫度T的關(guān)系式代入彈性系數(shù)K表達(dá)式可得到彈性系數(shù)K與MEMS環(huán)境溫度T的函數(shù)關(guān)系；

彈性系數(shù)K與彈性模量E的關(guān)系式為：K＝E·A/L

其中，A為MEMS橋橫截面積，L為MEMS橋長(zhǎng)度；

彈性系數(shù)K與MEMS環(huán)境溫度T的函數(shù)關(guān)系式為：

K＝f(A,L,T)；

(5)根據(jù)理想情況下MEMS橋材料彈性系數(shù)計(jì)算得到MEMS移相器下拉電壓，將MEMS移相器下拉電壓作用于因受熱彈性系數(shù)發(fā)生變化的MEMS橋，使得MEMS橋高度產(chǎn)生誤差；

不考慮溫度影響時(shí)MEMS橋理想彈性模量為一常數(shù)K'，而MEMS開(kāi)關(guān)下拉電壓計(jì)算公式為：

式中，w_c為中心導(dǎo)體寬度，w_b為MEMS橋?qū)挾龋琱為MEMS橋距介質(zhì)層的高度，ε₀為空氣的相對(duì)介電常數(shù)；

(6)根據(jù)MEMS橋高度誤差導(dǎo)致的電容值變化量，利用MEMS橋機(jī)電耦合模型計(jì)算MEMS橋的相移量；

每個(gè)MEMS橋產(chǎn)生的相移量可用MEMS橋機(jī)電耦合模型計(jì)算：

式中，S為相鄰MEMS橋間距值、f為工作頻率；C_t為傳輸線上單位長(zhǎng)度的等效電容值：其中，ε_r為介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，c為光速，Z₀為傳輸線的特性阻抗；L_t為傳輸線上單位長(zhǎng)度的等效電感值，其中C_d為“down”工作狀態(tài)下可變電容值、C_u為“up”工作狀態(tài)下可變電容值：

式中，w_c為中心導(dǎo)體寬度，w_b為MEMS橋?qū)挾龋琱為MEMS橋距介質(zhì)層的高度，t_d為介質(zhì)層厚度，Δh為MEMS橋高度的偏移量，L為MEMS橋的長(zhǎng)度，n為離散電容的個(gè)數(shù)；

式中，ε₀為空氣的相對(duì)介電常數(shù)；

(7)根據(jù)每個(gè)MEMS橋的相移量，計(jì)算MEMS移相器的相移量；

(7a)根據(jù)每個(gè)MEMS橋機(jī)電耦合模型，分別計(jì)算MEMS移相器中m個(gè)MEMS橋產(chǎn)生的相移量Δφ_i'；

(7b)將m個(gè)MEMS橋產(chǎn)生的相移量累加求和，可以預(yù)測(cè)到當(dāng)前熱環(huán)境與材料屬性下整個(gè)MEMS移相器的相移量為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱環(huán)境與橋材料屬性的X頻段MEMS移相器性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述MEMS移相器的工作環(huán)境為熱環(huán)境，默認(rèn)MEMS移相器處于理想靜力環(huán)境和振動(dòng)環(huán)境下。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱環(huán)境與橋材料屬性的X頻段MEMS移相器性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(3)中，在底板加熱源模擬MEMS移相器實(shí)際工作過(guò)程中熱環(huán)境帶MEMS橋的熱源位置及溫度值T'均可設(shè)定。