确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法、系统、计算机可读的存储介质以及计算机设备，包括：获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据结构参数确定阶梯型微固支梁的宽度比；根据宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，计算阶梯型微固支梁的长度比；根据长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，计算试函数的特征系数；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，计算阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，确定阶梯型微固支梁结构设计方案。通过上述方案，简化了阶梯型微固支梁结构的设计过程。

Method and system for determining design scheme of ladder type micro clamped beam structure

The storage medium, the invention relates to a method for determining the ladder type micro fixed beam structure design scheme of the system, computer readable and computer equipment, including obtaining the ladder type micro clamped beam structure parameters and material parameters, according to the structure parameters of ladder type micro beam width according to the width ratio and advance ratio; determine the width ratio and ladder type relationship between the micro beam length ratio, calculation of ladder type micro fixed beam length ratio; according to the trial function and the length ratio of the ladder type micro beam deformation, calculating the characteristic coefficient of the trial function; according to the ladder type micro fixed beam structure parameters, material parameters width ratio, length ratio, test function and characteristic parameter, calculation of ladder type micro fixed beam structure of minimum driving voltage; according to the ladder type micro fixed beam structure parameters, material parameters, ratio of width and length Ratio, trial function, characteristic coefficient and minimum driving voltage are used to determine the design scheme of the ladder type micro clamped beam structure. Through the above scheme, the design process of the ladder type micro clamped beam structure is simplified.

【技术实现步骤摘要】
确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法和系统
本专利技术涉及微机电系统领域，特别是涉及一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法和系统。
技术介绍
在静电驱动微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)领域，微固支梁广泛应用于各种器件及材料参数的提取中。当微梁与衬底之间施加偏置电压时，梁与衬底之间会产生静电力，在静电力作用下，微梁向衬底方向发生弯曲变形。随着偏置电压的增大，微梁变形相应增大，当变形超过一定的值时，微梁就失去稳定而突然倒向衬底方向，最后与衬底发生接触，此时的偏置电压就称为驱动电压(actuationvoltage)，又称之为下拉电压或吸合电压。研究表明：驱动电压每降低5V，MEMS产品使用寿命可增加10倍。驱动电压决定着MEMS产品的性能、可靠性以及应用领域。阶梯型微固支梁是降低MEMS产品驱动电压的一种有效结构型式，已经广泛应用于射频微开关、微传感器、微执行器等。在阶梯型微固支梁结构的MEMS产品的结构优化设计中，最重要的是获得低驱动电压的结构设计方案，传统的方法是基于最优化原理，通过设定目标函数，获得优化设计方案，但这种方法计算量大，优化设计过程复杂。
技术实现思路
基于此，提供一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法和系统，解决阶梯型微固支梁结构设计过程复杂的问题。一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，包括以下步骤：获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据所述结构参数得到阶梯型微固支梁的宽度比；根据所述宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，得到阶梯型微固支梁的长度比；根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，确定试函数的特征系数；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，确定阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，得到所述阶梯型微固支梁结构设计方案。一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的系统，包括：参数及宽度比确定模块，用于获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据所述结构参数得到阶梯型微固支梁的宽度比；长度比确定模块，用于根据所述宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，得到阶梯型微固支梁的长度比；特征系数确定模块，用于根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，确定试函数的特征系数；最低驱动电压确定模块，用于根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，确定阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压；设计方案确定模块，用于根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，得到所述阶梯型微固支梁结构设计方案。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求上述确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法的步骤。一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法的步骤。上述确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法、系统、计算机存储介质以及计算机设备，通过确定阶梯型微固支梁的结构参数以及材料参数，确定阶梯型微固支梁的宽度比；根据阶梯型微固支梁的宽度，确定阶梯型微固支梁的长度比；根据阶梯型微固支梁的长度比和阶梯型微固支梁变形的试函数，确定试函数的特征系数；根据阶梯型微固支梁的宽度比、长度比、试函数、特征系数，确定最低驱动电压；根据阶梯型微固支梁的宽度比、长度比、试函数、特征系数、最低驱动电压，确定阶梯型微固支梁结构设计方案。上述方案通过分析各个参数之间的关系，得到最低驱动电压下阶梯型微固支梁的结构参数，简化阶梯型微固支梁结构设计过程。附图说明图1为一实施例中确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法示意性流程图；图2为一实施例中阶梯型微固支梁具体结构的俯视图；图3为一实施例中阶梯型微固支梁具体结构的侧视图；图4为一实施例中确定阶梯型微固支梁结构设计方案的系统的示意性结构图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本专利技术实施例的技术方案，进行清楚和完整的描述。图1为一实施例中确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法示意性流程图，如图1所示，所述确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法包括以下步骤：S11，获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据所述结构参数得到阶梯型微固支梁的宽度比，所述宽度比为阶梯型微固支梁的非静电力作用区宽度和静电力作用区宽度的比值。在本步骤中，对于涉及阶梯型微固支梁结构的产品，例如MEMS开关，首先需要根据MEMS开关的设计需求，确定MEMS产品中阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，其中，结构参数至少包括非静电力作用区宽度和静电力作用区宽度的比值，根据这个比值，确定阶梯型微固支梁的宽度比。其中，宽度比为衡量静电力作用区面积的一个参数，对于整个MEMS开关的性能起决定性作用。S12，根据所述宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，得到阶梯型微固支梁的长度比，所述长度比为阶梯型微固支梁的静电力作用区长度和阶梯型微固支梁总长度的比值。在本步骤中，另一个决定MEMS开关的性能的参数为阶梯型微固支梁的长度比，其中长度比是阶梯型微固支梁静电力作用区长度和阶梯型微固支梁总长度的比。通过预先确定的阶梯型微固支梁宽度比与长度比的关系式，得到阶梯型微固支梁的长度比。S13，根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，确定试函数的特征系数；在本步骤中，试函数为单位载荷作用下的单位长度阶梯型固支梁的变形函数，在计算吸合电压时，由于结构不同，试函数的特征系数也不同，在确定MEMS开关为阶梯型微固支梁结构时，通过长度比和试函数，可得到试函数的特征系数。S14，根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，确定阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压。在本步骤中，确定最低驱动电压，也就是确定MEMS开关的主要性能，由于长度比以及特征系数都是根据最小驱动电压来设计的，因此，通过上述参数得到的电压为最小吸合电压。S15，根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，得到所述阶梯型微固支梁结构设计方案。在本步骤中，在得到阶梯型微固支梁的重要参数之后，便确定了阶梯型微固支梁结构的设计方案。在一实施例中，所述确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法还包括：预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式的步骤可以包括：根据欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型；其中，吸合电压预测模型可以表示为：其中，κ＝1+12GL2/Eh2表示尺度效应系数，G表示剪切模量，E表示材料弹性模量，L表示阶梯型微固支梁总长度，h表示阶梯型微固支梁厚度，g0表示阶梯型微固支梁与底部固定电极之间的间隙，ε0表示真空介电常数，εr表示相对介电常数，为阶梯型微固支梁变形的试函数，表示试函数的二阶导数，η表示特征系数，α表示所述长度比，β表示所述宽度比。在计算吸合电压一阶导数为零，可以得到阶梯型微固支梁的长度比与阶梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，包括：获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据所述结构参数确定阶梯型微固支梁的宽度比；所述宽度比为阶梯型微固支梁的非静电力作用区宽度和静电力作用区宽度的比值；根据所述宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，计算阶梯型微固支梁的长度比；所述长度比为阶梯型微固支梁的静电力作用区长度和阶梯型微固支梁总长度的比值；根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，计算试函数的特征系数；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，计算阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，确定所述阶梯型微固支梁结构设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，包括：获取阶梯型微固支梁的结构参数和材料参数，根据所述结构参数确定阶梯型微固支梁的宽度比；所述宽度比为阶梯型微固支梁的非静电力作用区宽度和静电力作用区宽度的比值；根据所述宽度比以及预先确定的宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式，计算阶梯型微固支梁的长度比；所述长度比为阶梯型微固支梁的静电力作用区长度和阶梯型微固支梁总长度的比值；根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，计算试函数的特征系数；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，计算阶梯型微固支梁结构的最低驱动电压；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数、特征系数以及最低驱动电压，确定所述阶梯型微固支梁结构设计方案。2.根据权利要求1所述的确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，还包括：预先确定宽度比与阶梯型微固支梁长度比的关系式的步骤，包括：根据欧拉-伯努利梁理论，建立关于阶梯型微固支梁结构参数的吸合电压预测模型；计算所述吸合电压预测模型的一阶导数，在所述吸合电压预测模型的一阶导数为零时，建立阶梯型微固支梁的长度比与阶梯型微固支梁的宽度比的隐式关系；根据所述宽度比以及所述长度比的隐式关系，通过多项式拟合，得到阶梯型微固支梁的宽度比与长度比的关系式；所述关系式为：α＝0.36β2-0.4β+0.85,0.2≤β≤0.9其中α表示所述长度比；β表示所述宽度比。3.根据权利要求1所述的确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，所述阶梯型微固支梁变形的试函数的公式为：其中，m为常数，α表示所述长度比，β表示所述宽度比，表示试函数，4.根据权利要求1所述的确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，根据所述长度比以及阶梯型微固支梁变形的试函数，计算试函数的特征系数的步骤，包括：通过单变量非线性方程求根法求解特征系数的非线性方程，得到所述特征系数；其中，所述特征系数的非线性方程为：其中表示试函数，α表示所述长度比，η表示特征系数。5.根据权利要求1所述的确定阶梯型微固支梁结构设计方案的方法，其特征在于，所述材料参数包括：阶梯型微固支梁材料的弹性模量、泊松比以及相对介电常数；所述结构参数包括：阶梯型微固支梁的总长度、厚度以及与底部固定电极之间的间隙；根据阶梯型微固支梁的结构参数、材料参数、宽度比、长度比、试函数和特征系数，计算阶梯型微固支梁的最低驱动电压的公式为：其中，Vp表示所述阶梯型微固支梁的驱动电压，κ＝1+12GL2/Eh2表示尺度效应系数，G表示剪切模量，E表示材料弹性模量，L表...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军华，苏伟，宋芳芳，黄钦文，恩云飞，刘人怀，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44