考虑环境温度与机械冲击作用的射频MEMS开关吸合特性理论与实验研究

The pull-in characteristics of RF MEMS switch is dependent on its environments, which has become one of the main factors restricting the development of the RF MEMS switch industrialization. This problem is being widely concerned, and the related research work is being done. However, from the existed literatures, The mechanism of the pull-in characteristic considering the effect of the temperature and the mechanical shock has not yet full revealed, there is still lack of the corresponding theoretical model..The objectives of this project pertain to the sensitivity of the RF MEMS switch pull-in characteristic due to the environmental factors. The theoretical model included the environmental factors, the manufacturing process factors, the geometric nonlinear and the size effect will be developed. The prediction of pull-in characteristic with higher accuracy will be achieved. Firstly, the theoretical model contained environmental temperature and mechanical shock for the simple RF MEMS switch is first studied. Furthermore, the theoretical model for the complex imperfect RF MEMS switch is proposed. Finally, the domestic RF MEMS switch environmental tests is conducted to validate the theoretical model. This proposal is aiming at developing the theory and method for the pull-in characteristic of RF MEMS switch, which could provide scientific support for the stability and reliability of RF MEMS switch and has important and practical significance.

射频MEMS开关吸合特性具有明显的环境依赖性，已成为制约射频MEMS开关产业化发展的一个主要因素。这个问题正在得到广泛关注，相关研究工作也相继展开。但从国内外文献来看，环境温度与机械冲击作用对吸合特性的影响机理尚未完整揭示，缺少相应的理论模型。.本项目针对射频MEMS开关吸合特性敏感性问题，旨在发展考虑环境温度与机械冲击作用的吸合特性理论模型，实现射频MEMS开关吸合特性的精确预测。首先研究考虑环境温度、机械冲击作用的简单射频MEMS开关吸合特性理论，其次研究带缺陷的复杂射频MEMS开关吸合特性理论，最后利用国产射频MEMS开关试验验证理论模型。本项目研究将形成系统的射频MEMS开关吸合特性理论分析和验证方法，为提高射频MEMS开关的稳定性和可靠性提供科学支撑，具有重要的理论意义和实用价值。

射频MEMS开关吸合特性具有明显的环境依赖性，已成为制约射频MEMS开关产业化发展的一个主要因素，深入系统地开展MEMS开关吸合特性理论研究，揭示在环境温度和机械冲击作用下的吸合特性迫在眉睫。.本项目采用理论、计算与实验有机结合的方法，基于修正的偶应力理论和哈密顿原理，研究了环境温度变化和机械冲击作用下的静电驱动阶梯型微梁吸合特性问题。具体研究内容包括：.（1）基于最小势能原理和修正的偶应力理论，建立了静电力作用下的考虑尺度效应的微梁运动方程；提出了考虑尺度效应、边缘场效应影响的变截面微梁吸合电压解析模型，研究了结构参数对吸合电压的影响，揭示了变截面微梁的独有特性，获得了最低吸合电压对应的无量纲结构参数轨迹曲线，大大简化MEMS开关设计过程。.（2）建立了双层微梁在电热耦合作用下的吸合特性理论模型，研究了温度变化产生的变形曲率随无量纲厚度参数、尺度效应的变化规律以及对吸合电压的影响，为设计低温度敏感性的MEMS开关奠定了理论基础。.（3）基于哈密顿原理，建立了机械冲击作用下静电驱动阶梯型微梁的运动方程。研究了不同冲击量级、不同脉冲宽度对阶梯型微梁吸合特性的影响，可为MEMS开关的抗冲击优化设计提供参考。.（4）结合典型MEMS开关，建立了微梁结构参数对吸合电压的灵敏度解析模型，研究了结构参数对吸合电压的影响，结构参数包括长度、宽度、厚度、初始间隙，为优化MEMS开关设计奠定了理论基础。.（5）开展国产MEMS开关环境温度与机械冲击试验。开发了吸合电压测试系统，测量在不同环境温度和机械冲击作用下的吸合特性变化规律，验证了理论模型。并进一步基于理论模型与实验数据提出了MEMS微梁原位弹性模量和厚度测量方法。