基于ANSYS悬臂式RFMEMS开关的力学模拟和疲劳分析

1 引言

RFMEMS开关是利用静电吸附力来控制微桥或；悬臂的上下运动从而实现开、关特性，它广泛应用于射频微波、毫米波领域。目前主要有两种MEMS开关类型：悬浮臂接触式和并联电容式。MEMS开关具有低插损(0．1dB)、高绝缘(40dB，2GH2)、易于集成和能处理大功率(1-2W)等优点川。悬浮臂接触式开关由悬臂、金属接触点和静电驱动机械部分组成，其驱动电压相对较低且在实际电路中应用灵活，但其在工艺上实现起来比较困难，可靠性相对较差。对其进行软件模拟，从而对其参数进行优化，可以减少工艺上不必要的过程。本文目前是利用ANSYS对悬臂梁接触开关进行力电耦合分析，根据分析结果来修改开关的结构尺寸，从而降低开关的驱动电压，提高其寿命，然后在力、电耦合分析的基础上对其疲劳特性进行分析，并与实验结果进行比较，提出提高寿命的办法。

2 力电耦合分析

2．1结构模型

典型的MEMS悬浮臂开关如图1所示。该MEMS微型开关是由静电力使相对刚性的悬臂自由端与衬底材料的倾斜度，造成与衬底分离间隙的大小， 形成"开"、"关"状态。其组成为：微电子基底、衬底电极、可动结构、第二接触点和一个绝缘层。从剖面看，这种可动结构由一个电极层和衬底组成；从长度上看，该可动结构有一个与衬底固定区、介质区和一个相对于衬底电极的可动末端区。当一个电压施加于上电极，悬浮臂在静电力压迫下，开关闭合；当电压被关掉，静电力消失，悬梁恢复其原来状态位置。悬浮臂接触式开关的尺寸应该使其能够被静电力移动或部分变形。对于器件行为的准确预测需要静电能和机械能的耦合解决。在设计上有一些典型的MEMS射频器件模型可以参考。理论上，几何尺寸和驱动电压可以通过几个方程来计算。当形状改变后，电场的计算变得非常复杂，所以用ANSYS软件作为工具帮助我们完善调查研究。由于复杂器件的离散化会带来大的耦合方程的求解，ANSYS是比较适合MEMS模拟的几个工具之一，它的模拟环境是基于简洁的有限元，能够解决多物理场的相互耦合处理。

2．2力-电耦合分析方法

在ANSYS模拟中力电耦合分析可分为两大类：顺序耦合法和直接耦合法。顺序耦合法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一物理场分析，通过将前一个分析结果作为载荷施加到个分析中的方式进行耦合；直接耦合方法，只包含一个分析，它使用包含多场自由度的耦合单元，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。顺序耦合分析可使用间接法和物理环境法，在悬臂梁开关中，当加上电压后，悬臂开关的悬梁受到静电力的作用而向下弯曲，使得悬梁与衬底之间的间隙减少，反过来又会影响静电场的分布，从而使静电力的大小发生变化。由于分析中涉及到静电场分析和机械场分析的迭代分析，而物理环境法顺序耦合正好符合我们的要求，因此我们选用了物理环境法顺序耦合法来进行开关的力电耦合分析。

2．3开关模拟分析过程

由于实际的模型比较复杂，离散化非常困难，所以对原模型进行了适当的简化。简化后模型的上极板为单一的某种材料构成。这样分析起来比较方便，且又比较接近实际结果。

首先设定好标题，然后创建电场物理环境，包括选择合适的单元类型，定义单位制和材料属性，创建模型，划分网格，施加基本物理载荷及边界条件，设定所有的求解选项等，接着保存好电场的物理环境。创建机械场的物理环境，内容同上，软件将会按照图2所示的流程图进行迭代求解。

2．4求解结果及讨论

本文建立了三种不同形状的模型：模型I长320Bm，宽90gm，厚2gm：模型Ⅱ长430gm，宽360Bm，厚2gm：模型Ⅲ长460gm，宽160gm，厚2Bm。求解得到的模型在力电偶合后因静电引起的变'形结果如图3，4，5所示。对于模型I加的电压为20V时，位移达到2．03lgm；对于模型Ⅱ加的电压为1．7V时，位移达到1．980gm；对于模型III加的电压为5V时，位移达到1．919llm。可以看到模型II的驱动电压，模型I的驱动电压。对模型I在不同材料时的驱动电压做了分析，得到驱动电压与杨氏模量的关系曲线(图6)。得到的杨氏模量越大，开关的驱动电压越高。因为模型II的驱动电压，本文还对模型II进行了深入分析，得到的驱动电压与悬梁厚度、电极面积的关系见图7，8。可以看到，悬梁厚度与开关的驱动电压成反比，而开关的电极面积与驱动电压成正比。在图3，4，5三个模型中，模型II的电极面积， 因此驱动电压。

3 疲劳特性分析

3.1MEMS的疲劳失效机理

在MEMS开关中，因负载驱动的周期性变化，使悬臂梁发生往复运动，接触部分应力高度集中，引起材料疲劳，即使负载远远低于引起开关失效的，临界负载，也会使它的机械性能衰退而失效。疲劳失效会使摩擦应力集中处萌生微裂纹，裂纹扩展到表面，形成磨损。

3．2 ANSYS模拟疲劳过程

ANSYS软件的疲劳计算是以ASME(美国机械工程师协会)锅炉和压力容器规范的第三部分作为计算的依据，用简化了的弹塑性假设和Miner(密勒)的累积疲劳总和准则作为指导方针[2]。在完成应力计算后进行疲劳计算，首先进入POSTl(通用后处理器)，在当前内存中读入数据库文件，然后确定疲劳计算的规模，输入材料的疲劳性质参数和确定需要进行疲劳计算的位置，紧接着储存应力，指定时间的循环次数和指定比例，这样就可以激活疲劳计算，得出一系列结果，如所经历循环次数和允许循环次数等。

3．3结果分析与讨论

根据所查材料的S-N参数，31，对上述三种模型利用ANSYS分析得到的结论如下：当位移为2gm时，模型I的可以循环次数为1．5E12，模型Ⅱ的为3E13，模型III的为2E13，可以看出驱动电压越小则开关的可循环次数越高，4l。我们对模型I流片进行了测试：当加脉冲激励频率为4Hz，幅度为28V时，开关寿命为10200次，这与用ANSYS分析出来的结果有比较大的差距，主要是在实际情况中还存在以下几种失效的影响：①摩擦失效，两个表面在工作中长期频繁的撞击接触并产生微小相对运动，产生的静摩擦力会导致表面的磨损，这种磨损导致结构表面变得粗糙或者产生凹坑、小碎片；②负载电流的影响，大多数研究认为，开关电流与开关寿命呈反比；③开关的热失效，MEMS接触式开关的两个金属表面之间长时间的频繁撞击接触，不仅使得接触处出现磨损，也使得接触点的温度上升；④实际工艺存在缺陷和不稳定性，使做出来的开关与理想的情况有一定差距，导致寿命下降。国外报道做得质量好的开关已经十分接近我们模拟的理论数据。

4 结论

ANSYS是一种用来模拟模型参数的非常有用的工具。从分析中得到的结论如下：驱动电压是影响开关寿命的重要因素，电压越小，则寿命越长。而驱动电压与开关的电极面积、杨氏模量、悬梁厚度都有关系。上下电极耦合接触面积越大，则驱动电压越小，这与已报道的理论分析结果是一致的。另外可以看到，驱动电压随着杨氏模量和悬梁厚度的增大而增大。有了上面的数据分析结果，我们可以对模型H的尺寸参数做进一步修改，也可以选用杨氏模量不同的材料，从而使其性能更加优良。通过步力电耦合，得到了开关节点力的分布情况，然后进行疲劳分析，得出了三种开关在疲劳之前分别可以循环的次数，可以看出，驱动电压越小，则次数越长。根据模型I流片测试得出次数为10200，与模拟结果有一定差距，主要是实际实验中开关还要受到摩擦失效、开关的热失效、负载电流的感应效应及工艺不稳定性等因素的影响。另外，测试的驱动波行使用双脉冲可以减少介质充电对寿命的影响。