一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法技术

本专利提出来一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，包括以下步骤：建立MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型；建立基于MEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型；所述柔性基板屈曲变形后，获取所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔性基板的间距；所述柔性基板屈曲变形后，得到所述柔性基板屈曲变形后的参数值；根据所述柔性基板屈曲变形后的参数值，重建MEMS静电驱动开关的力学动态模型；基于所述重建的模型，获取柔性基板屈曲对MEMS静电驱动开关力学动态模型的影响，填补了国内外对RF MEMS静电驱动开关弯曲特性模型的研究空白。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法
本专利技术涉及一种力学分析方法，特别涉及一种基于柔性基板弯曲条件下的RFMEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法。
技术介绍
在当今信息化发展的浪潮中，柔性电子器件以其独特的可弯曲延展性及其高效、低成本的制造工艺，在国防、信息、医疗、能源等领域具有非常广阔的应用前景。柔性电子器件作为新一代半导体器件的热门发展方向，是建立在可弯曲/延展基板上的新兴电子技术，其将主动/被动的有机/无机电子器件制作在柔性基板上，既具有传统刚性电子系统的性能，也具有拉伸、扭曲、折叠这种独特的特性，因此在对复杂环境空间应用的保形、小型化、轻量化、智能化等方面具有无可比拟的重要性和优势。MEMS(微机电系统)柔性器件作为柔性电子器件的重要分支，其保形、高性能、小体积、智能化的传感器/执行器成为当今柔性电子系统中必不可少的组成部分，特别是RFMEMS(射频微机电系统)柔性器件，由于其在机载/星载雷达和物联网通信系统中的广泛应用前景，使得各种RFMEMS柔性执行器/传感器成为了近年来的研究热点。作为RFMEMS柔性器件，其首要特性无非是具备独特的可弯曲性，这也是相关柔性器件发展的应用基础和研究动力，因此RFMEMS柔性器件弯曲特性是最需要研究的科学问题。目前无论是基于硅基的还是基于各类柔性基板的RFMEMS柔性器件，其主要的研究内容和目的还都处于器件设计、制备和非弯曲条件下的性能测试阶段，RFMEMS柔性器件的弯曲特性建模和实验表征验证的研究目前还处于空白。然而，不管从科学研究角度还是工程应用层面，都迫切需要建立起基于柔性基板的RFMEMS器件的弯曲特性模型，以推动RFMEMS柔性器件的深入研究和开发应用。
技术实现思路
专利技术目的：为了填补国内外对RFMEMS静电驱动开关弯曲特性模型的研究空白，本专利技术提供了一种基于复杂环境空间，包含RFMEMS静电驱动开关与柔性基板双变形模型的RFMEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法。技术方案：本专利技术提供了一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，主要包括以下步骤：建立MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型；建立基于MEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型；所述柔性基板屈曲变形后，获取所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔性基板的间距；所述柔性基板屈曲变形后，得到所述柔性基板屈曲变形后的参数值；根据所述柔性基板屈曲变形后的参数值，重建MEMS静电驱动开关的力学动态模型；基于所述重建的模型，获取柔性基板屈曲对MEMS静电驱动开关力学动态模型的影响。进一步的，所述MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型为：其中，x为膜桥下拉距离，m为静电驱动开关的质量，f为极板间静电力，k为静电驱动开关中梁结构的等效弹簧系数。进一步的，所述MEMS静电驱动开关为双端固支梁RFMEMS静电驱动开关。进一步的，所述MEMS静电驱动开关为悬臂梁RFMEMS静电驱动开关。进一步的，所述形变耦合模型为：其中，h为双端固支梁中心点的最大位移大小：其中，为转动惯量，L为双端固支梁梁长，t为梁厚，w为梁宽，E为梁的杨氏模量，n为泊松比，P为残余压应力。进一步的，所述柔性基板屈曲变形后，所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔性基板的间距变化量为；其中，L为双端固支梁或悬臂梁梁长，R为柔性基板屈曲曲率半径。进一步的，双端固支梁结构发生屈曲变形后，所述重建的MEMS静电驱动开关的力学动态模型为：其中，x为双端固支梁膜桥下拉距离，t为梁厚，m为双端固支梁开关的质量，h为双端固支梁屈曲最大位移，k′为由双端固支梁结构刚度引起的等效弹簧系数，k″为由双端固支梁结构双轴残余应力引起的等效弹簧系数，X为柔性基板屈曲变形后膜桥至所述柔性基板的间距变化量，A为极板间重叠面积，V为极板间所施加的偏置电压，g为极板间初始间距，εr为极板间介质的介电常数，ε0为真空介电常数。进一步的，所述双端固支梁屈曲最大位移h为：其中，为转动惯量，ΔP为柔性基板屈曲在双端固支梁中引入的张应力，P为柔性基板屈曲变形时双端固支梁内残余压应力，E为梁的杨氏模量，t为梁厚，w为梁宽，n为泊松比，L为双端固支梁梁长。进一步的，所述由双端固支梁结构双轴残余应力引起的等效弹簧系数k″为：其中，ΔP为柔性基板屈曲在双端固支梁中引入的张应力，q(z)为施加的垂直载荷。进一步的，柔性基板屈曲在双端固支梁中引入的张应力ΔP为：其中，E为梁的杨氏模量，t为梁厚，w为梁宽，n为泊松比，R为柔性基板屈曲曲率半径、L为双端固支梁梁长、g为上下极板初始间距。工作原理：本专利技术为了填补国内外对RFMEMS静电驱动开关弯曲特性模型的研究空白，提供一种基于柔性基板弯曲条件下的RFMEMS静电驱动开关力学动态模型参数变化规律的估计方法。本专利技术主要采取两个步骤来处理柔性基板弯曲变形条件下RFMEMS静电驱动开关力学动态模型建模，从而得到RFMEMS静电驱动开关变形后对器件力学动态模型影响的解析模型。其一是建立基于RFMEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型，实现RFMEMS静电驱动开关与柔性基板之间关键结构参数变化量的提取。其二是基于RFMEMS静电驱动开关弯曲特性模型，获得RFMEMS静电驱动开关/基板双变形的形变量。通过以上参数为基础，重建RFMEMS静电驱动开关力学动态模型，分析弯曲变形对RFMEMS静电驱动开关力学动态模型的影响。有益效果：与现有技术相比，本专利技术首次建立基于RFMEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型，实现RFMEMS静电驱动开关与柔性基板之间关键结构参数变化量的提取。进一步建立弯曲变形后RFMEMS静电驱动开关的力学动态模型模型，提供了一种基于复杂环境空间，包含RFMEMS静电驱动开关与柔性基板双变形模型的RFMEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，填补国内外对RFMEMS静电驱动开关力学动态模型模型的研究空白。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术提供的双端固支梁静电驱动开关分析方法与模拟、测试结果对比图。图3是本专利技术提供的悬臂梁静电驱动开关分析方法与模拟、测试结果对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。实施例1MEMS为双端固支梁型RFMEMS，RFMEMS双端固支梁静电驱动开关梁的材料为金，柔性衬底材料为液晶聚合物(LCP)，梁的长度L＝600μm，梁的宽度w＝100μm，梁的厚度t＝2μm，上下极板初始间距g＝2μm，梁的杨氏模量E＝78Gpa，泊松比n＝0.42。上述RFMEMS双端固支梁静电驱动开关初始存在双轴残余压应力，梁向上屈曲，最大屈曲距离h＝0.5μm，随着柔性基板逐渐弯曲，基板的曲率由0逐渐增大至33.3m-1，在开关上下极板间施加1.4倍阈值电压的偏置电压。结合图1对本实施例进行描述，具体包括如下步骤：步骤1，建立RFMEMS静电驱动开关的力学动态模型。RFMEMS静电驱动双端固支梁开关吸合过程不考虑阻尼作用的动态方程为：其中，x为双端固支梁膜桥下拉距离，梁厚为t，m为双端固支梁开关的质量，f为极板间静电力，k为双端固支梁结构等效弹簧系数。步骤2，建立基于RFMEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型。双端固支梁梁长为L，梁厚为t，梁宽为w，梁的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，包括以下步骤：建立MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型；建立基于MEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型；所述柔性基板屈曲变形后，获取所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔性基板的间距；所述柔性基板屈曲变形后，得到所述柔性基板屈曲变形后的参数值；根据所述柔性基板屈曲变形后的参数值，重建MEMS静电驱动开关的力学动态模型；基于所述重建的模型，获取柔性基板屈曲对MEMS静电驱动开关力学动态模型的影响。

【技术特征摘要】
1.一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，包括以下步骤：建立MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型；建立基于MEMS静电驱动开关与柔性基板双变形的形变耦合模型；所述柔性基板屈曲变形后，获取所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔性基板的间距；所述柔性基板屈曲变形后，得到所述柔性基板屈曲变形后的参数值；根据所述柔性基板屈曲变形后的参数值，重建MEMS静电驱动开关的力学动态模型；基于所述重建的模型，获取柔性基板屈曲对MEMS静电驱动开关力学动态模型的影响。2.根据权利要求1所述的一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，所述MEMS静电驱动开关的初始力学动态模型为：其中，x为膜桥下拉距离，m为静电驱动开关的质量，f为极板间静电力，k为静电驱动开关中梁结构的等效弹簧系数。3.根据权利要求2所述的一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，所述MEMS静电驱动开关为双端固支梁RFMEMS静电驱动开关。4.根据权利要求2所述的一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，所述MEMS静电驱动开关为悬臂梁RFMEMS静电驱动开关。5.根据权利要求3所述的一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，所述形变耦合模型为：其中，h为双端固支梁中心点的最大位移大小：其中，为转动惯量，L为双端固支梁梁长，t为梁厚，w为梁宽，E为梁的杨氏模量，n为泊松比，P为残余压应力。6.根据权利要求3所述的一种柔性MEMS静电驱动开关力学动态模型分析方法，其特征在于，所述柔性基板屈曲变形后，所述MEMS静电驱动开关膜桥至所述柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩磊，于洋，吴虹剑，田蕾，吝晓楠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32