一种平板式MEMSRF射频开关的设计

　　0　引　言

　　近年来,随着MEMS的工艺水平的不断成熟,已不再限于微传感器的制作,而是越来越多的应用于微执行器,如,微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。本文所描述的对象就是一种应用于MEMS里面的微开关。微开关一般由静电的方式来驱动,与压电、压阻、热膨胀和电磁等驱动方式相比,静电作用虽然驱动力比较小,但其工艺兼容好,可以用体硅和表面微机械加工,便于实现系统集成,是微机械执行器的发展趋势。静电驱动方式可以分为两类:平行板电容结构和静电梳状结构。平行板电容结构一般为垂直驱动,驱动力较大,适合于静电微开关的驱动。

　　1　微开关的模拟原理

　　微开关中电极的形状可采用方形结构,如图1所示,上电极和下电极上做有漏孔,这是为了在加工过程中能够加快腐蚀速度,与电极两端相连的弹性悬臂梁。对上电极施加压时,膜片在电压的作用下,产生弯曲形变,中部的触点处,因悬臂梁的形变在其弹性范围内,所以,不会产生断裂。上电极和下电极的触点接触,从而形成了一个微开关。

　　微开关形变时,其上、下极板间的静电吸引力大小为

　　式中　C为平板电容的大小;x为极板间距;V为极板间电压。

　　若进一步考虑极板间为平行板电容时,介质为常数,极板间静电力大小可以近似地表达为

　　式中　V为上电极和下电极之间的静电驱动电压;D为某点上、下电极之间的距离;A为该点的正对面积。将式(1)用泰勒级数展开,上极板的形变量为x,D0为极板间距,则

　　当间距x较小时,x的高阶项不能被忽略,仍需要考虑,直到x增大到可以与D0相比时,其高阶项趋近于零,这时才可以用式(1)近似地计算出所加电压及电极触点之间的关系。但仍是逐步迭代的求解方法,其原理是:首先,不考虑膜片变形对静电力分布的影响,假设膜片上所有单元受到相同静电力的作用,先计算出膜片变形结果,然后,利用变形结果修正静电力载荷分布进行新的计算,再反复上述迭代过程,直到后一次结果与前次结果的差值在很小的误差范围内,则可得到膜片在静电力作用下的最终变形情况。

　　2　有限元模型分析

　　由于电极在受力过程中的形状会不断的发生变化,弯曲的过程中,电极上各点的间距也会不断变化,而且这个求解过程相当的复杂,很容易使近似处理的结果产生很大的误差。为解决此问题,本文作者在这里对微开关的模拟采用了FEA法,即有限元的分析法。用有限元法对开关的弯曲变形进行模拟,利用有限元的方法对开关的形变进行分析。