具有二維特征的MEMS器件系統(tǒng)級(jí)模擬方法研究.pdf

1、MEMS設(shè)計(jì)方法學(xué)是指導(dǎo)設(shè)計(jì)的基本思想,在整個(gè)MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中具有重要作用。由于MEMS系統(tǒng)通常涉及多個(gè)耦合能量域,并且設(shè)計(jì)者十分關(guān)注系統(tǒng)的整體性能,因此復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)模擬顯得尤為重要。目前系統(tǒng)級(jí)模擬基本上都是先建立器件宏模型,然后調(diào)用該模型,利用成熟的電路分析軟件如Spice、Simulink等進(jìn)行模擬。因而,系統(tǒng)級(jí)模擬的難點(diǎn)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(yǔ)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(jù)牛頓第二定律和能量原理求出受力的解析表達(dá)式,再利用受控源的反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)機(jī)電耦合關(guān)系,根據(jù)表達(dá)式和反饋關(guān)系建立起表征器件動(dòng)態(tài)特性的等效電路宏模型。重點(diǎn)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(guò)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(yīng)對(duì)器件性能產(chǎn)生的影響。對(duì)于方形薄膜,選取二維撓度形函數(shù)解決問(wèn)題；對(duì)于變截面梁,通過(guò)引入

3、修正系數(shù)將該二維器件近似為一維情形來(lái)處理,修正系數(shù)通過(guò)研究變截面梁的尺寸與結(jié)構(gòu)形變程度的關(guān)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(duì)此宏模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)、頻率和瞬態(tài)分析,并與CoventorWare中相應(yīng)的模擬結(jié)果比較,首次實(shí)現(xiàn)了薄膜大信號(hào)等效電路宏模型建立；以變截面梁為研究對(duì)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(dǎo)出變截面梁尺寸對(duì)梁彎曲程

4、度的影響規(guī)律,給出一些關(guān)于器件設(shè)計(jì)和建立器件宏模型的建議；通過(guò)引入修正系數(shù),將變截面梁的二維問(wèn)題近似為一維來(lái)處理,建立起包含二維效應(yīng)的等效電路宏模型,然后用Spice對(duì)修正后的等效電路進(jìn)行各種分析,并將模擬結(jié)果與CoventorWare以及修正前的結(jié)果相對(duì)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(guò)程簡(jiǎn)單易懂,避免了繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算,效率和精度均很高,可用于大信號(hào)激勵(lì),并且能夠有效地反映器件中的二維效應(yīng)