具有二維特征的MEMS器件系統(tǒng)級模擬方法研究.pdf

1、MEMS設計方法學是指導設計的基本思想,在整個MEMS系統(tǒng)設計和優(yōu)化中具有重要作用。由于MEMS系統(tǒng)通常涉及多個耦合能量域,并且設計者十分關注系統(tǒng)的整體性能,因此復雜的系統(tǒng)級模擬顯得尤為重要。目前系統(tǒng)級模擬基本上都是先建立器件宏模型,然后調用該模型,利用成熟的電路分析軟件如Spice、Simulink等進行模擬。因而,系統(tǒng)級模擬的難點便在于建立快速、高效、能精確反映器件行為特性的宏模型?，F(xiàn)階段,建立宏模型的主要方法有等效電路法和硬件描述

2、語言法。 本文采用的等效電路宏模型建立方法從器件的受力分析著手,根據牛頓第二定律和能量原理求出受力的解析表達式,再利用受控源的反饋作用實現(xiàn)機電耦合關系,根據表達式和反饋關系建立起表征器件動態(tài)特性的等效電路宏模型。重點研究了四邊固定方形薄膜和變截面梁基于受力分析的等效電路宏模型建立過程?？紤]到它們都是二維器件,因此建立的等效電路模型考慮了二維效應對器件性能產生的影響。對于方形薄膜,選取二維撓度形函數解決問題；對于變截面梁,通過引入

3、修正系數將該二維器件近似為一維情形來處理,修正系數通過研究變截面梁的尺寸與結構形變程度的關系獲得?；谏鲜龇椒?本文建立了四邊固定方形薄膜的等效電路宏模型,利用Spice對此宏模型進行準靜態(tài)、頻率和瞬態(tài)分析,并與CoventorWare中相應的模擬結果比較,首次實現(xiàn)了薄膜大信號等效電路宏模型建立；以變截面梁為研究對象建立等效電路宏模型,并分析了該模型的誤差；采用CoventorWare分析變截面梁的形變情況,推導出變截面梁尺寸對梁彎曲程

4、度的影響規(guī)律,給出一些關于器件設計和建立器件宏模型的建議；通過引入修正系數,將變截面梁的二維問題近似為一維來處理,建立起包含二維效應的等效電路宏模型,然后用Spice對修正后的等效電路進行各種分析,并將模擬結果與CoventorWare以及修正前的結果相對比,模型精度有了較大的提高。利用基于受力分析法建立的等效電路物理意義十分明確,過程簡單易懂,避免了繁瑣的數學計算,效率和精度均很高,可用于大信號激勵,并且能夠有效地反映器件中的二維效應