[發(fā)明專利]一種基于柔性基板彎曲條件下的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811029805.3
• 申請(qǐng)日: 2018-09-04
• 公開（公告）號(hào): CN109271692B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓磊;于洋;吳虹劍;田蕾;吝曉楠;劉星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發(fā)明公開了一種基于柔性基板彎曲條件下的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，主要包括兩個(gè)步驟：其一是建立基于MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)與柔性基板雙變形的形變耦合模型，實(shí)現(xiàn)MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)與柔性基板之間關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)變化量的提取。其二是基于MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)彎曲特性模型，獲得MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)/基板雙變形的形變量及MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力引入量。本發(fā)明提供了一種基于復(fù)雜環(huán)境空間，包含MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)與柔性基板雙變形模型，考慮MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)雙軸殘余應(yīng)力影響的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種力學(xué)分析方法，特別涉及一種基于柔性基板彎曲條件下的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法。

背景技術(shù)

在當(dāng)今信息化發(fā)展的浪潮中，柔性電子器件以其獨(dú)特的可彎曲延展性及其高效、低成本的制造工藝，在國防、信息、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。柔性電子器件作為新一代半導(dǎo)體器件的熱門發(fā)展方向，是建立在可彎曲/延展基板上的新興電子技術(shù)，其將主動(dòng)/被動(dòng)的有機(jī)/無機(jī)電子器件制作在柔性基板上，既具有傳統(tǒng)剛性電子系統(tǒng)的性能，也具有拉伸、扭曲、折疊這種獨(dú)特的特性，因此在對(duì)復(fù)雜環(huán)境空間應(yīng)用的保形、小型化、輕量化、智能化等方面具有無可比擬的重要性和優(yōu)勢。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))柔性器件作為柔性電子器件的重要分支，其保形、高性能、小體積、智能化的傳感器/執(zhí)行器成為當(dāng)今柔性電子系統(tǒng)中必不可少的組成部分，特別是RF MEMS(射頻微機(jī)電系統(tǒng))柔性器件，由于其在機(jī)載/星載雷達(dá)和物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景，使得各種RF MEMS柔性執(zhí)行器/傳感器成為了近年來的研究熱點(diǎn)。作為RF MEMS柔性器件，其首要特性無非是具備獨(dú)特的可彎曲性，這也是相關(guān)柔性器件發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)和研究動(dòng)力，因此RF MEMS柔性器件彎曲特性是最需要研究的科學(xué)問題。目前無論是基于硅基的還是基于各類柔性基板的RF MEMS柔性器件，其主要的研究內(nèi)容和目的還都處于器件設(shè)計(jì)、制備和非彎曲條件下的性能測試階段，RFMEMS柔性器件的彎曲特性建模和實(shí)驗(yàn)表征驗(yàn)證的研究目前還處于空白。然而，不管從科學(xué)研究角度還是工程應(yīng)用層面，都迫切需要建立起基于柔性基板的RF MEMS器件的彎曲特性模型，以推動(dòng)RF MEMS柔性器件的深入研究和開發(fā)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了填補(bǔ)國內(nèi)外對(duì)MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)柔性器件模型的研究空白，本發(fā)明提供了一種基于復(fù)雜環(huán)境空間，包含MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)與柔性基板雙變形模型，考慮MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)雙軸殘余應(yīng)力影響的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于柔性基板彎曲條件下的MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：建立基于MEMS雙端固支梁結(jié)構(gòu)與柔性基板雙變形的形變耦合模型，當(dāng)雙端固支梁存在較大的殘余壓應(yīng)力P，殘余壓應(yīng)力大于發(fā)生屈曲的臨界應(yīng)力時(shí)，雙端固支梁結(jié)構(gòu)會(huì)向上(或者向下)發(fā)生屈曲，屈曲模態(tài)的形狀為：

其中雙端固支梁中心點(diǎn)的最大位移大小為h：

其中，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

進(jìn)一步，柔性基板發(fā)生彎曲后，雙端固支梁結(jié)構(gòu)拉伸，如果存在殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力將逐漸變小，最后轉(zhuǎn)變成張應(yīng)力；假設(shè)雙端固支梁梁長為L，膜橋到基板初始間距為g，柔性基板彎曲曲率半徑為R，柔性基板彎曲后對(duì)應(yīng)的圓心角為α，可得：

進(jìn)一步，柔性基板彎曲后膜橋到基板間距變化量為：

進(jìn)一步，在柔性基板彎曲的條件下，雙端固支梁上極板會(huì)有一定的拉伸，拉伸將會(huì)在上極板內(nèi)引入張應(yīng)力，則引入的張應(yīng)力大小為：